用 Graph 技術強化推薦系統 (1): 理論篇

更新於 2024/12/16發佈於 2024/11/17閱讀時間約 9 分鐘

前言

在現今的數據驅動世界，推薦系統早已成為許多平台（如電商、串流媒體、社交網路）不可或缺的一部分。然而，傳統的推薦方法如協同過濾（Collaborative Filtering）和基於內容過濾（Content-Based Filtering）各有其局限性，例如無法處理冷啟動問題或缺乏靈活性。最近在 YouTube survey 與學習 : 關於如何利用圖形資料庫（Graph Database）提升推薦系統的方法，特別是如何透過 Neo4j 等工具實現更高效的混合推薦（Hybrid Recommendation）和 k-近鄰（k-NN）推薦。

這篇 Blog 將簡要整理我所學到的內容，主要是理論的部分，從傳統推薦方法的挑戰開始，探討如何使用圖技術來提升推薦效果，下一篇老樣子會拿一個 sample dataset 實作，並在提出實作的結果與討論，那我們開始吧！

常見傳統的推薦方法與其挑戰

1. Top 10 Recommendation（熱門推薦）

方法：推薦最受歡迎的前十項目。
問題：這種方式雖然簡單直觀，但不一定能滿足用戶的個性化需求。
例子：雙十一期間，購物網站推薦最熱銷的商品，如某品牌電冰箱。但如果用戶對電冰箱毫無需求，這些推薦對於促進轉換毫無幫助。

2. Content-Based Recommendation（基於內容的推薦）

方法：根據用戶之前喜歡的內容，推薦相似的項目。
問題：靈活度較低，長期使用可能會讓用戶感到無趣。
例子：如果用戶在 Instagram 上瀏覽過狗狗影片，系統會持續推薦相似的狗狗內容。這樣用戶可能會錯過其他類型的熱門或新興內容，降低使用體驗的多樣性。

3. Collaborative Filtering（協同過濾推薦）

方法：基於用戶行為或其他用戶的行為進行推薦，依賴類似用戶的偏好來提供建議。
問題：容易形成回音室效應，推薦內容局限於過去的行為，無法發現新的興趣或突破現有偏好。
例子：用戶的觀看紀錄可能會局限於某一類型，推薦引擎很難推送新的影片或商品，讓用戶嘗試新的東西。

用 Graph 技術優化推薦：更準確、更即時

雖然傳統推薦方法已在許多應用中取得不錯的成效，但隨著數據規模和需求的提升，它們的局限性逐漸顯現。這時，Graph 技術的出現為推薦系統帶來了不同的解決方案，我們能更靈活地處理複雜的關聯數據，提升推薦的質量和多樣性。

這裡會有一個疑問：是不是這些推薦方法一定得用到 graph db ？還是現有的 relational database可以做推薦嗎？

結合協同過濾與內容過濾：Hybrid Recommendation

挑戰：協同過濾和基於內容的推薦各有優缺點，單一方法無法全面解決用戶需求。
解決方案：Graph 技術讓我們能將這兩種方法結合，實現混合推薦（Hybrid Recommendation）。透過圖形資料庫，我們可以同時考慮用戶行為與內容相似性，提供更強大的推薦效果。
優勢：
1) 增強推薦多樣性，讓用戶能同時看到熟悉與新穎的內容。
2) 解決冷啟動問題，適用於新用戶或新項目。

2. 即時推薦：Real-Time Recommendations

挑戰：傳統推薦系統通常需要離線計算，無法即時提供個性化建議。
解決方案：Neo4j 等圖形資料庫支持實時查詢，可以根據用戶當前的行為，立即生成個性化推薦。
優勢：
1) 用戶不必等待過時的推薦，能夠根據最新數據即時獲取內容。
2) 增強用戶體驗，提升互動性與轉化率。

混合推薦系統應用於電影推薦

場景：有一用戶剛看完 Toy story ，要推薦下一步他感興趣的電影。

步驟 1：建構數據模型

使用 Graph 技術將以下元素建模為節點與關係：

用戶（User）：每位用戶作為一個節點。
電影（Movie）：電影作為另一個節點。
評分關係（Rated）：用戶與電影之間的評分作為關係，包含分數作為屬性。

這樣的數據模型可反映每位用戶對不同電影的觀看與評分記錄，為推薦系統提供基礎數據。

步驟 2：推薦的 query

推薦查詢可分為以下幾個步驟執行：

找到看過 Toy Story 的用戶：查詢所有評分 Toy Story 的用戶節點

MATCH (watched:Movie {title:"Toy Story"}) <-[r1:RATED]- (user:Person)

2. 篩選評分超過 7 分的電影 :

MATCH (user) -[r2:RATED]-> (unseen:Movie)

WHERE r2.rating > 7

3. 確保電影類型與 Toy Story 相同

AND watched.genres = unseen.genres

4. 過濾出目標用戶未觀看過的電影

AND NOT ((:Person {username:"target_user"}) -[:RATED]-> (unseen))

5. 回傳與排序推薦結果

RETURN unseen.title, COUNT(*) AS recommendation_count

ORDER BY recommendation_count DESC

LIMIT 25

ref YT video: https://youtu.be/b_0Iuc3zUN4?si=vwWbIymyFxwfoyjo

K-Nearest Neighbors(KNN) 應用於電影推薦

在 Graph 技術中，k-近鄰（k-NN）推薦是一種基於相似性計算的推薦方法，常用於衡量用戶或項目之間的關聯性，尤其是當我們希望為用戶推薦與其偏好相近的內容時。

場景：(跟剛剛相同)有一用戶剛看完 Toy story ，要推薦下一步他感興趣的電影。

方法：尋找與目標用戶或項目最相似的 k 個鄰居，並根據這些鄰居的行為或評分來進行推薦。

步驟 1：餘弦相似度（Cosine Similarity）概念

餘弦相似度將每個用戶或項目視為高維向量，通過計算它們之間的角度來衡量相似性。

將每個用戶或項目視為高維向量，餘弦相似度測量它們之間的角度。
當兩個向量的方向越接近時（夾角越小），相似度越高。

步驟 2：推薦流程

計算用戶之間的餘弦相似度: 為每個用戶計算與其他用戶的相似性。
找出最相似的 k 個鄰居 : 根據餘弦相似度的結果，篩選出與目標用戶最相似的 k 個用戶。
根據鄰居的評分進行推薦: 分析這些鄰居對於其他項目的評分，並將評分較高且目標用戶未看過的項目推薦給用戶。

步驟 3 ：推薦 query

找到 Zoltan Varju 與他的鄰居（用戶）的相似度以及這些鄰居對不同電影的評分

MATCH (m:Movie) <-[r:RATED]- (b:Person) -[s:SIMILARITY]- (p:Person {name:'Zoltan Varju'})

2. 排除已評分的電影

WHERE NOT (p)-[:RATED]->(m)

3. 計算相似度與評分

WITH m, s.similarity AS similarity, r.rating AS rating

4. 按照相似度排序

ORDER BY m.name, similarity DESC

5. 選取前 3 個鄰居的評分：收集與 Zoltan Varju 最相似的 3 位鄰居對每部電影的評分

WITH m.name AS movie, COLLECT(rating)[0..3] AS ratings

6. 計算推薦評分

WITH movie, REDUCE(s = 0, i IN ratings | s + i)*1.0 / LENGTH(ratings) AS recommendation

7. 排序與限制結果：回傳最適合的 25 部電影

ORDER BY recommendation DESC

RETURN movie, recommendation LIMIT 25

小心得

在這篇筆記中，我們探索了如何使用 Neo4j 進行混合推薦和 KNN 推薦，透過 Graph 技術，能夠更靈活且準確地為用戶生成即時的推薦結果，無論是基於相似用戶還是相似內容。這種方法不僅提升了推薦的質量，也解決了許多傳統推薦系統面臨的瓶頸，例如冷啟動和數據稀疏問題。下回會拿一組 dataset ，並實作在 Neo4j 中構建節點與關係，和實作推薦系統。下次見囉～