图神经网络(GNN)将推荐系统建模为用户-物品二部图,通过消息传递在图上传播信息。LightGCN是2020年提出的轻量级GCN推荐模型,去掉了传统GCN中的非线性变换和权重矩阵,仅保留邻域聚合,效果却更好。
| 维度 | NGCF | LightGCN |
|---|---|---|
| 特征变换 | 有(W₁) | 无 |
| 非线性激活 | 有(ReLU) | 无 |
| 层组合 | 拼接+权重 | 简单平均 |
| 参数量 | 大 | 仅embedding |
| 效果 | 好 | 更好 |
e_u^(k) = Σ_{i∈N(u)} (1/√|N(u)|·√|N(i)|) · e_i^(k-1)
每层只做邻域聚合,无权重矩阵
e_u = (1/(L+1)) Σ_{k=0}^{L} e_u^(k)
所有层的embedding取平均
ŷ(u,i) = e_u^T · e_i
import numpy as np
np.random.seed(42)
print("="*60+"\n图神经网络推荐(LightGCN)\n"+"="*60)
n_users=30;n_items=20;n_nodes=n_users+n_items
# 构建用户-物品二部图
n_interactions=120
edges=[]
for _ in range(n_interactions):
u=np.random.randint(n_users)
i=np.random.randint(n_items)
edges.append((u,n_users+i))
edges=list(set(edges))
print(f"用户:{n_users} 物品:{n_items} 边:{len(edges)}")
# 邻接矩阵
A=np.zeros((n_nodes,n_nodes))
for u,i in edges:A[u,i]=A[i,u]=1
# 度归一化
D=np.diag(A.sum(axis=1)**(-0.5))
D[np.isinf(D)]=0
A_norm=D@A@D
print(f"图密度:{len(edges)/(n_users*n_items):.4f}")
# 初始embedding
emb_size=16
E=np.random.randn(n_nodes,emb_size)*0.1
# LightGCN传播
def lightgcn_propagate(A_norm,E,n_layers=3):
all_embs=[E]
E_cur=E.copy()
for l in range(n_layers):
E_cur=A_norm@E_cur
all_embs.append(E_cur)
# 层组合(平均)
final=np.mean(all_embs,axis=0)
return final,all_embs
E_final,all_embs=lightgcn_propagate(A_norm,E)
print(f"\nLightGCN传播后embedding形状:{E_final.shape}")
# 推荐评分
user_embs=E_final[:n_users]
item_embs=E_final[n_users:]
scores=user_embs@item_embs.T
# 为用户0推荐
target=0;interacted=set(i for u,i in edges if u==target)
rec_scores=[(i,scores[target,i])for i in range(n_items)if i not in interacted]
rec_sorted=sorted(rec_scores,key=lambda x:-x[1])[:5]
print(f"\n用户0推荐Top-5:")
for i,s in rec_sorted:print(f" 物品{i}:分数={s:.4f}")
# 评估BPR
print("\n--- BPR训练LightGCN ---")
E_train=np.random.randn(n_nodes,emb_size)*0.01
lr=0.01;reg=0.001
for ep in range(50):
for _ in range(200):
u=np.random.randint(n_users)
pos=[i-n_users for uu,i in edges if uu==u]
neg=[i for i in range(n_items)if i not in pos]
if not pos or not neg:continue
i=np.random.choice(pos);j=np.random.choice(neg)
E_f,_=lightgcn_propagate(A_norm,E_train)
u_emb=E_f[u];i_emb=E_f[n_users+i];j_emb=E_f[n_users+j]
x_uij=np.dot(u_emb,i_emb)-np.dot(u_emb,j_emb)
grad=1/(1+np.exp(x_uij))
# 简化梯度更新embedding
E_train[u]-=lr*(-grad*(i_emb-j_emb)+reg*E_train[u])
E_train[n_users+i]-=lr*(-grad*u_emb+reg*E_train[n_users+i])
E_train[n_users+j]-=lr*(grad*u_emb+reg*E_train[n_users+j])
if(ep+1)%10==0:
E_f,_=lightgcn_propagate(A_norm,E_train)
u_embs=E_f[:n_users];i_embs=E_f[n_users:]
auc_vals=[]
for u in range(min(15,n_users)):
pos=[i-n_users for uu,i in edges if uu==u]
neg=[i for i in range(n_items)if i not in pos]
if not pos or not neg:continue
sp=u_embs[u]@i_embs[pos].T
sn=u_embs[u]@i_embs[neg].T
auc_vals.append(np.mean(sp[:,None]>sn[None,:]))
print(f" Epoch{ep+1}:AUC={np.mean(auc_vals):.4f}")
# 层数影响
print("\nGCN层数影响:")
for n_layers in [1,2,3,4]:
E_f,_=lightgcn_propagate(A_norm,E_train,n_layers)
u_e=E_f[:n_users];i_e=E_f[n_users:]
auc_v=[]
for u in range(min(15,n_users)):
pos=[i-n_users for uu,i in edges if uu==u]
neg=[i for i in range(n_items)if i not in pos]
if not pos or not neg:continue
sp=u_e[u]@i_e[pos].T;sn=u_e[u]@i_e[neg].T
auc_v.append(np.mean(sp[:,None]>sn[None,:]))
print(f" layers={n_layers}:AUC={np.mean(auc_v):.4f}")
✅ 验证通过
本课代码涵盖了从数据生成、模型训练到效果评估的完整流程。以下是关键步骤的详细解读:
代码设计原则:简洁可读、关键步骤有注释、结果可复现(固定随机种子)。
| 组件 | 版本 | 说明 |
|---|---|---|
| Python | 3.8+ | 推荐3.10版本 |
| NumPy | 1.21+ | 核心数值计算库 |
| SciPy | 1.7+ | 统计检验(部分课程) |
本课是第10课:图神经网络推荐(LightGCN),属于特征与模型阶段。我们系统学习了本课的核心概念、数学原理和代码实现,并通过实机运行验证了算法的正确性。
练习1:实现NGCF(带特征变换)并与LightGCN对比
练习2:调整GCN层数1-4层,观察过平滑现象
练习3:实现mini-batch GraphSAGE采样训练
练习4:在LightGCN中加入社交关系图
| 公司 | 场景 | 核心技术 |
|---|---|---|
| 字节跳动 | 抖音/TikTok | 多目标排序+实时特征+双塔召回 |
| 阿里巴巴 | 淘宝推荐 | DIN/DIEN序列模型+MIND多兴趣 |
| 腾讯 | 微信看一看 | DeepFM+图神经网络召回 |
| 美团 | 本地生活推荐 | 多场景多目标+时空特征 |
| Netflix | 视频推荐 | 矩阵分解+深度学习混合 |
✅ 理解图结构在推荐中的重要性
✅ 掌握LightGCN的核心设计和传播公式
✅ 实现简化版GCN推荐模型
✅ 理解GCN推荐的挑战与改进方向