Deep Learning在CTR预估方面的应用
在广告rank、搜索rank和推荐rank等方向，CTR预估都是其中非常重要的一个模块。以广告rank为例，记 \(pctr\) 表示predicted CTR，即预估CTR，\(bid\) 表示bid price，即出价，那么 \(pctr * bid\) 就能得到单位流量上的广告营收，这个乘积反映了流量的变现效率。不同于搜索rank和推荐rank，大部分情况下这两者只需要关注 \(pctr\) 的序别是对的即可，而广告rank中对点击率预估要求更高些，需要给出精准的点击概率 \(pctr\) ，因为只有是把精准预估出的 \(pctr\) 和出价 \(bid\) 相乘，才能让用户、广告主和广告平台三方的整体收益最大。
对广告CTR预估问题，最早是基于LR模型（是一种浅层模型），从用户、广告主、上下文环境三方面着手做大量的特征工程，而且一般需要加入特征之间的非线性关系，比如使用特征交叉，引入GBDT等技巧。因为不是所有的特征之间都需要加入非线性关系，所以这就需要不断地做实验来验证，时间代价较大。后来有了FM模型，也就是factorization machine（也是一种浅层模型），通过两两向量之间的点积来判断特征之间和目标变量之间的关系，这就让特征间的非线性关系交由FM模型来处理，省去了调试非线性关系的实验时间。近几年，deep learning技术也逐渐引入到CTR预估中，而且已经有不少DL模型用于线上广告rank服务了。有几篇关于FNN和PNN的文章，这两个模型与FM模型有一定的联系，那就是用FM训出的模型作为神经网络的embedding层。
FM模型的model function如图1所示，其由两部分组成，前一部分与LR模型的model function一样，后一部分是给每一维特征用一个向量表示，以向量间的点积来描述特征之间和目标变量之间的关系。经过训练可以得到模型参数，这后一部分的向量就可以视为各个特征的embedding向量，即得到特征的embedding表示。正因为此，倘若站在神经网络的角度看FM模型，我们可以视其为3层神经网络，如图2所示，最底层是embedding层，含有要学习的模型参数，中间一层是inner product层，没有要学习的参数，最顶层就是一个普通的先sigma求和后求sigmoid的神经元。需要学习的参数只有最底层。
说明：图2的隐藏层在画法上有一点错误。Embedding层的 \(w_i\) 和 \(w_j\) 应该连接到隐藏层的不同节点，而不是同一个节点。（注意看FM模型的LR那部分）
图1 FM模型的model function
图2 FM模型等价于3层神经网络
既然可以把FM模型当做一个3层神经网络，而且FM模型就是只训练了最底层的embedding层，那么站在神经网络的角度去思考，就可以引出接下里的FNN模型，如图3所示。FNN全称 Factorization-machine supported Neural Networks。底层还是embedding层，而且就用FM模型做训练得到各个输入特征的embedding向量。中间2层是普通的全连接网络层，最顶层就是普通的sigmoid神经元。跟FM不同的地方在于，1）引入了全连接层代替了inner product层；2）中间层和顶层都引入了模型参数。直觉上看这个模型的表达能力更强，如果训练语料足够丰富，是可以达到比FM模型更好的效果。在360广告CTR预估业务上，就用FNN模型取得了不错的结果。
在FNN的embedding层上加一个product层，就得到了PNN模型，如图4所示。
图3 FNN模型
图4 PNN模型
相关文献
- Deep Learning over Multi-Field Categorical Data: A Case Study on User Response Prediction
- 介绍FNN模型。将FM模型训出的结果作为其中的embedding层，上面套上全连接神经网络。
- Product-based Neural Networks for User Response Predictions
- 介绍PNN模型。在FNN的embedding层的上面加入produce层，往上还是用全连接神经网络。
- Wide & Deep Learning for Recommender Systems
- Google提出的wide和deep learning模型。
- 用户在线广告点击行为预测的深度学习模型
- 这是来自张伟楠博士在携程技术中心主办的深度学习Meetup中的主题演讲。张伟楠博士现在是上海交大的助理教授，其个人主页是 http://wnzhang.net/，他是FNN和PNN的主要作者，还是SVDFeature的作者之一，11年和12年的KDD Cup都有他的身影。
- 闲聊DNN CTR预估模型
- 作者 Kintocai （蔡建涛，来自腾讯）
- 这篇文章写得非常好，而且还有作者的一些精辟分析和实践经验，特别是在最后给出了一个总结性的框架图，将这些模型以及一些连续特征的处理方法统一到一个整体框架中，非常赞。
- 很同意作者的好几个观点，比如：
- 在训练样本量足够的情况下，尽可能用简单一些的模型，减少inference的计算量，提高计算的吞吐量，大数据本身就可以解决很多问题。
- 离散LR依然是二分类问题场景的首选方案，LR加上良好的特征工程足以解决大部分实际问题。
- 不过对于dropout的使用，个人觉得在全连接层适当使用dropout是有用的，它可以在一定程度防止模型的过拟合。当然如果是训练数据量较大，特征维度较少时，dropout不是必需的。
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