Python--机器学习之近邻协同过滤 [最幽默、最易懂的机器学习]

川长思鸟来 2023-06-06 03:42 72阅读 0赞

### Python--机器学习之近邻协同过滤 \[最幽默、最易懂的机器学习\] ###

*   *   *  1、什么是近邻协同过滤
         *   *  1.1 基于物品的协同过滤
             *  1.2 基于用户的协同过滤
         *  2、相似何解
         *   *  2.1 基于用户的协同过滤相似关系图解
             *  2.2 基于物品的协同过滤相似关系图解
         *  4、数据做基于用户的近邻协同过滤
         *  5、文末彩蛋--轻松一刻

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        那么什么是协同过滤？一句话概括就是：“物以类聚人以群分”。所以你选择来看朱哥的文章！毕竟朱哥我三岁识千字，五岁背唐诗，十里乡村有名的神童！但是岁月不饶人呐（抽泣中…），可惜啊，我都18岁了（大哭…），咋们继续…

### 1、什么是近邻协同过滤 ###

就是找出物品间的相似度然后根据相似度进行推荐。它分为基于物品的协同过滤和基于用户的协同过滤。说白了就是如何让更多的人买更多不同的物品，所以搞这些的都是为了两个字----赚钱(这是好事，谁不喜欢钱？你要是不喜欢可以给我！给贫困山区的孩子一点帮助吧！微信联系方式在上面，当然了也支持QQ)。

#### 1.1 基于物品的协同过滤 ####

简单的解释就是你看一部电影比如说《战狼2》，然后系统把另外和《战狼2》相似的电影如《战狼1》、《红海行动》推荐在主页给你，这就是基于物品的协同过滤，简记为：希望你一人买更多类似的东西。

#### 1.2 基于用户的协同过滤 ####

举个例子，你看小熊、亮哥是好朋友对吧，然后小熊呢喜欢看某岛国电影《牙买跌》，结果呢系统把电影《牙买跌》推荐给亮哥，这个就是基于用户的协同过滤，简记为：希望把某样东西推荐给更多性格相似的人（观众朋友你看他俩的性格就很像）。

### 2、相似何解 ###

就是利用距离计算，根据历史数据计算物品间或人之间的距离，距离最近的就可以归一类，说明相似。在这里是先将数据转为二维表，如果是基于用户的就转为用户与用户间的二维表，是物品的就转为物品间对应的二维表。如有6人对6本不同的书评分如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0wxNTQyMzM0MjEw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
        从上表可以看到，每个用户对每本书的评分，那么我们要做的就是将图中空缺的值填充完整，然后排序后根据填写的值进行从大到小的推荐。那么这些空值怎么去填写呢？我们就会想到距离，没错，但是我们想到的是欧式距离，这是直接算距离来的。其实我们可以知道，每个用户都不止一维数据，所以我们更加关系的是这些用户在空间中的方向，而不是他们的普通距离，方向相同后说明这两个用户是相似的。所以我们用到余弦相关系数：  
![在这里插入图片描述][20191012201633764.png]  
        这里，我们强大的Python里面是有相对的库，所以不用手敲代码。通过该计算后得到下方的二维表。

#### 2.1 基于用户的协同过滤相似关系图解 ####

那么他们对应的相似关系二维表为：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0wxNTQyMzM0MjEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
        这样一来，就可以找到每个用户究竟跟多少个用户最相似了。就可以把相似的用户买的物品推荐给其他与他相似的用户。

#### 2.2 基于物品的协同过滤相似关系图解 ####

该表也是由用户对该书本的评分得来，因为我们要以用户的眼光来判断它们的相似度，而不是他们本身的相似度，我们的目标和眼光永远放在用户身上。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0wxNTQyMzM0MjEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
        这样一来，就可以找到每个物品在用户眼光下究竟和那几个物品最相似。就可以把相似的物品推荐给他。

### 4、数据做基于用户的近邻协同过滤 ###

[下载该数据百度网盘连接----提取码：vzqi][----_vzqi]

#导包
    import pandas as pd
    import numpy as np
    dat='example.txt' # 读入数据 该数据就是 第一张截图里面的表格数据
    df = pd.read_csv(dat,header=None)
    df.columns=['用户id','物品id','喜好程度'] # 修改列名
    # 构建第二张截图的矩阵数据
    df_pivot = df.pivot(index="用户id",columns="物品id",values="喜好程度")
    freq = df_pivot.fillna(0)  #将缺失值填为0
    #在sklearn中有自带的余弦相似度计算函数
    from sklearn.metrics.pairwise import cosine_similarity
    user_similar = cosine_similarity(freq_matrix)
    ##画热力图来看一下，比较好看
    import matplotlib.pyplot as plt
    import seaborn as sns
    sns.heatmap(user_similar,annot=True,cbar=False)
    plt.show();   #热力图

![热力图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0wxNTQyMzM0MjEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
        颜色越浅，代表相似性越差。

**假如说我们现在想给第3个用户推荐第5个商品，计算其得分**

user_id_action = freq_matrix[2,:] #取出第三个用户的评分向量
    item_id_action = freq_matrix[:,4] #取出用户对第五个物品的评分向量 
    #假如说我们现在想要找出和该用户最相似的三个用户 k=3
    #那么应该从这个user_similar 矩阵中提取出三个最大的值,所对应的用户
    k = 3
    score = 0  #用于计算评分的分子
    weight = 0  #用于计算评分的分母 最终得分为 score/weight，因为给用户相似度一个权重
    user_id = 2  #第三个用户
    item_id = 4  #第五个用户
    similar_index =np.argsort(user_similar[user_id])[::-1][1:k+1]  #索引出和第三个用户相似的前三个用户
    similar_index    # 结果为 1，0，5 说明1，0，5在第五个物品选择上和第三位用户最相似

**计算用户评分平均值**  
        因为评分的值差距太大，而权重的取值为0-1，不好给权重，所以将评分标准化，使用标准化后的数据：

#构建一个基于用户和物品的推荐
    def Recommendation_mean(user_id,item_id,similar,k=10):
        """减去平均数的计算方法： user_id：输入用户ID item_id：物品ID similar：计算好余弦距离后的矩阵 k：以计算几个最相近的用户，默认值为10"""
        score = 0
        weight = 0
        user_id_action = freq_matrix[user_id,:]      #用户user_id 对所有商品的行为评分 
        item_id_action = freq_matrix[:,item_id]      #物品item_id 得到的所有用户评分 
    
        user_id_similar = similar[user_id,:]      #用户user_id 对所有用户的相似度 
        similar_index = np.argsort(user_id_similar)[-(k+1):-1]  #最相似的k个用户的index（除了自己）
        user_id_i_mean = np.sum(user_id_action)/user_id_action[user_id_action!=0].size# 算出平均值
        for j in similar_index :
            if item_id_action[j]!=0: #找到物品评分不为零的值
                user_id_j_action = freq_matrix[j,:]
                user_id_j_mean = np.sum(user_id_j_action)/user_id_j_action[user_id_j_action!=0].size
                score += user_id_similar[j]*(item_id_action[j]-user_id_j_mean)   #计算该物品的评分均值
                weight += abs(user_id_similar[j]) # 得到权重
    
        if weight==0:  
            return 0
        else:
            return user_id_j_mean + score/float(weight) #计算最终得分

**构建预测函数，将每一个用户对应每一个物品的分数填写完整**

#构建预测函数
    def predict_mean(user_similar):
        """预测函数的功能: 传入相似度矩阵, 通过对每个用户和每个物品进行计算, 计算出一个推荐矩阵"""
        user_count = freq_matrix.shape[0]#用户数
        item_count = freq_matrix.shape[1]#商品数
        predic_matrix = np.zeros((user_count,item_count))
        print(user_count)
        for user_id in range(user_count):
            print(user_id)
            for item_id in range(item_count):
                if freq_matrix[user_id,item_id] == 0:
                    #print (user_id,item_id)
                    predic_matrix[user_id,item_id] = Recommendation_mean(user_id,item_id,user_similar) #调用函数，求出每一个空值对应的分数，如果数据太大时间会很长。
        return predic_matrix  #返回一个填补完空值的得分表

**得到分数矩阵**

user_prediction_matrix = predict_mean(user_similar) #得到每一个用户对应每一个物品的分数
    user_prediction_matrix

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0wxNTQyMzM0MjEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**取出前几个推荐的物品**

def get_topk(group,n):  
        # 返回排序后的前n个值
        return group.sort_values("推荐指数",ascending=False)[:n]
       
    def get_recommendation(user_prediction_matrix,n=5):
        # 将用户预测数据, 构建成一个DataFrame
        recommendation_df = pd.DataFrame(user_prediction_matrix,columns=freq.columns,index=freq.index)
        # 将数据进行转换
        recommendation_df = recommendation_df.stack().reset_index() # reset_index重置索引stack将其行索引变成列索引
        # 对列名进行修改
        recommendation_df.rename(columns={ 0:"推荐指数"},inplace=True)
        # 根据用户ID列进行分组
        grouped = recommendation_df.groupby("用户id")
        # 得到分组后的前几个数据
        topk = grouped.apply(get_topk,n=n)  #的返回值就是func()的返回值
        # 删除掉用户ID列
        topk = topk.drop(["用户id"],axis=1)
        # 删除掉多余的索引
        topk.index = topk.index.droplevel(1)
        # 索引重排
        topk.reset_index(inplace=True)
        return topk

**调用函数**

n=5   #取出前5个 要几个就修改这里就可以了
    get_recommendatios=get_recommendation(user_prediction_matrix,n)
    get_recommendatios #得到每个用户的前5个推荐的书本编号

说明：如果要做基于物品的临近协同过滤，只需要将df\_pivot 转置一下就可以了，代码一样，就不一一赘述。

### 5、文末彩蛋–轻松一刻 ###

**大家都知道嘛，我好朋友亮哥是出了名的吵嘴王，这不是之前国庆假期嘛，我寻思着没事去他家找他玩，我两就在看电影，这结果呢，他爸出来了，看他在玩就说：“都快25岁的人了，还一事无成，成天就知道玩，看看别人家的旺财跟你一样大都开公司了。”然后我亮哥当时就不乐意了，回了一句，给我吓坏了，他说“那你跟马云还一样大呢，看看人家…”结果他老爸顿时无声，瞪大眼睛看他，说道：“马云之所以厉害，因为他有一个好儿子…还有一些正能量的好朋友…”。所以说真是有其父必有其子，他爷俩都挺能吵的，就是这么个情况。**

**今天到这里就结束了哟//每篇文章都有文末彩蛋–轻松一刻哟~加关注学习更多机器学习知识！谢谢观看，我是Jetuser-data**

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![在这里插入图片描述][20190928182613800.png]  
**祝大家工作顺利！阖家欢乐！**

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