-Collaborative-filtering-algorithm-

基于python实现，通过协同过滤算法实现的一个简单的豆瓣电影推荐系统 本次实验学习如何利用python、MySQL作为开发环境（主要调用pymysql、request、json、numpy、pandas等python库），通过爬取豆瓣电影数据，实现了一个基于基于用户协同过滤的简单推荐系统demo，笔者主要行文思路如下图：

数据获取

本次实验数据获取源选取自豆瓣电影，主要通过python中resquest库对数据进行爬取与处理，再通过pymysql库实现对数据的存储（此处未将数据全部导入SQL不作E-R图展示），最终爬取数据构成如下图

界面设计

界面设计主要通过python中PyQT5库进行实现，实现了初始的用户登录、用户注册与电影检索等初始功能，同时再结合推荐算法，可以实现推荐系统中对初始用户的冷启动、老用户个性化推荐功能。初始界面如下图所示： @toc

推荐毕设前的小项目demo,主要内容是ItemCF+简单的系统开发

前言

本次实验学习如何利用python、MySQL作为开发环境（主要调用pymysql、request、json、numpy、pandas等python库），通过爬取豆瓣电影数据，实现了一个基于基于用户协同过滤的简单推荐系统demo，笔者主要行文思路如下图：

背景介绍

如果说互联网的目标是连接一切，哪推荐系统的功能与作用就是建立起更加有效率的连接，推荐系统可以连接用户与内容与服务，可以为企业、政府等组织节省大量的成本，同时将有用的内容精准的投放到个性用户里，大大节省用户的时间成本。

开发部分介绍

数据获取与存储

本次实验数据获取源选取自豆瓣电影，主要通过python中resquest库对数据进行爬取与处理，再通过pymysql库实现对数据的存储（此处未将数据全部导入SQL不作E-R图展示），最终爬取数据构成如下图

界面设计

界面设计主要通过python中PyQT5库进行实现，实现了初始的用户登录、用户注册与电影检索等初始功能，同时再结合推荐算法，可以实现推荐系统中对初始用户的冷启动、老用户个性化推荐功能。初始界面如下图所示：

算法原理

推荐算法与冷启动简述

推荐算法的初衷想法就是希望把商品、内容精准的推送到用户手中，使得商品得到精准的流量，帮助用户省去选择和寻找信息的时间成本。 从电影的推荐系统角度看推荐算法，推荐系统主要需要解决的问题是推荐系统的冷启动、推荐系统怎样基于用户的兴趣推荐出准确的内容与信息？ 对于推荐系统的冷系统的冷启动问题，主流解决思想有基于用户的冷启动、基于物品的冷启动、基于非个性化的推荐，本次实验只考虑新用户注册的情况，不考虑新物品进入系统的情况，故解决的是用户的冷启动问题，解决思想是根据新用户登入其自定义的个性标签（感兴趣的电影类型）定义出一大致的粗粒度的个性化用户画像，再根据这个画像做出一个个性化推荐的左端界面，右端界面为基于物品的热度的热门电影推荐。 完成用户的“冷启动”后,系统得到足够支撑推荐算法的用户行为数据，基于相关的推荐算法，可以对用户做出更加精确的推荐。结合笔者所查文献与资料， 常用推荐算法主要有：基于用户的协同过滤推荐、基于物品的协同过滤推荐、隐语义模型的推荐、基于图的推荐。结合所抓取数据的构成与体量，采用基于用户的协同过滤算法做系统的主要的推荐算法。

基于物品的协同过滤（ItemCF）

基于物品的协同过滤算法是目前业界应用做多的算法，如：亚马逊、YouTube其推荐算法基础都是该算法。基于物品的协同过滤在解决物品数量一定，但用户数量巨大的应用场景上很有优势，与本次实验解决问题类型相近故选用（豆瓣网站的电影数量是一定的，但是用户数量巨大。）在本次实验中ItemCF算法的实现思想主要为以下两个步骤： 1.计算物品间的相似度： 从物品上出发，可以定义物品的相似度计算公式为：$$w_{i j}=\frac{|N(i) \cap N(j)|}{|N(i)|}$$ 其中分母|N（i）|是喜欢物品i的用户数，分子${|N(i) \cap N(j)|}$是既喜欢物品i同时也喜欢物品j的用户数量。不难看出，公式的定义是喜欢物品i的用户同时也喜欢物品j的用户比例，该公式一定程度上可以反映物品i、j的相似程度，但是对于j是热门物品的情况，其很多人都喜欢j，j的体量本身就很大，那么上述公式的计算结果 将接近于1，这对对于致力于挖掘长尾信息的推荐来说显然是一个不好的特性。因此，在此基础上加入对物品j权重的惩罚，得到改进的相似度计算公式为： 计算物品相似度的算法部分实现思路为： （1）建立用户-物品倒排表（对每个用户建立一个其喜欢的物品的列表）； （2）对于每个用户，将其的物品列表两两在共现矩阵中加1； （3）将各用户的共现矩阵相加得到总的共现矩阵C； （4）将C矩阵归一化即得到物品之间的余弦相似矩阵W。 形象的实现思路如图： 2.根据物品相似度和用户的历史行为生成个性化的推荐列表： 在计算得到物品间的相似度后，再同如下公式计算得到用户u对物品j的兴趣：$$ p_{\text {uj }}=\sum_{i=N(u) \cap s(j, K)} w_{j i} r_{u i} $$ 其中N（u）是用户喜欢的物品的集合，S（j，K）是和物品j最相似的K个物品集合，s（j，K）是与物品j最相似的K个物品的集合，wij是物品i与物品j的相似度，rui是用户u对物品j的兴趣。（在隐反馈数据集中，如果用户u对i有过行为，即可令rui=1），不难看出，该公式的含义为：和用户历史上感兴趣的物品越相似的物品，越有可能在用户的推荐列表中排名越高。 生成个性化用户推荐列表的算法部分实现思想如下： （1）计算用户u对各个物品的兴趣得分； （2）按照用户u对各物品的兴趣得分按从大到小排序后生成推荐列表。 形象化的实现思路如图：

python实现：

import pandas as pd
import numpy as np
import random
from sklearn.metrics.pairwise import cosine_similarity # 计算余弦相似度

# 用户ID映射
usersMap = dict(enumerate(list(user_df['user_id'].unique()))) # 电影id与其对应索引的映射关系
usersMap = dict(zip(usersMap.values(), usersMap.keys())) # 键值互换

# 电影ID映射
moviesMap_raw = dict(enumerate(list(movies_df['dataID']))) # 电影id与其对应索引的映射关系
moviesMap = dict(zip(moviesMap_raw.values(), moviesMap_raw.keys())) # 键值互换

n_users = user_df.user_id.unique().shape[0] # 用户总数
n_movies = movies_df.Movie_ID.unique().shape[0] # 电影总数

data_matrix = np.zeros((n_users, n_movies)) # 用户-物品矩阵雏形

# 构造用户-物品矩阵
for line in user_df.itertuples():
    try:
        data_matrix[usersMap[str(line[1])], moviesMap[line[2]]] = line[3]
    except:
        pass
    
# 电影余弦相似度矩阵
item_similarity = cosine_similarity(data_matrix.T) # 转置之后计算的才是电影的相似度


def rec_hot_movies():
    """
    @功能: 获取热门推荐电影
    @参数: 无
    @返回: 热门推荐电影列表
    """
    hot_movies = []
    hot_movies_raw = movies_df[movies_df.date >= 2019]
    hot_movies_raw = hot_movies_raw[hot_movies_raw.rate >= 8.7]
    hot_movies_raw = hot_movies_raw.iloc[:,[1,2,3,4,5,6,7,9]]
    
    for i in list(hot_movies_raw):
        temp = []
        for j in range(len(list(hot_movies_raw.name.unique()))):
            temp.append(hot_movies_raw['{}'.format(i)].values.tolist()[j])
        hot_movies.append(temp)
    
    hot_rec_movies = [] # 存储热门推荐电影
    for k in range(len(hot_movies[0])):
        temp_rec_movies = []
        for l in range(len(hot_movies)):
            temp_rec_movies.append(hot_movies[l][k])
        hot_rec_movies.append(temp_rec_movies)
    
    return hot_rec_movies


def Recommend(movie_id, k): # movie_id:电影名关键词，k:为最相似的k部电影
    """
    @功能: 获得推荐电影列表
    @参数: 电影ID、每部电影选取最相似的数目
    @返回: 推荐电影列表
    """
    movie_list = [] # 存储结果
    try:
        # 过滤电影数据集，搜索找到对应的电影的id
        movieid = list(movies_df[movies_df['dataID'] == movie_id].Movie_ID)[0]
        # 获取该电影的余弦相似度数组
        movie_similarity = item_similarity[movieid]
        # 返回前k个最高相似度的索引位置
        movie_similarity_index = np.argsort(-movie_similarity)[1:k+1] # argsort函数是将数组元素从小到大排列，返回对应的索引数组

        for i in movie_similarity_index:
            rec_movies = [] # 每部推荐的电影
            rec_movies.append(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].name)[0]) # 电影名
            rec_movies.append(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].actors)[0]) # 主演
            
            if pd.isna(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style2)[0]) and pd.isna(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style3)[0]):
                style = list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style1)[0]
            elif pd.isna(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style3)[0]):
                style = list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style1)[0] + ' ' + list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style2)[0]
            else:
                style = list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style1)[0] + ' ' + list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style2)[0] + ' ' + list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].style3)[0]
            rec_movies.append(style) # 电影类型
            rec_movies.append(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].rate)[0]) # 电影评分
            rec_movies.append(list(movies_df[movies_df.Movie_ID == (i)].url)[0]) # 电影链接
            
            movie_list.append(rec_movies) # 列表中的元素为列表，存储相关信息
    except:
        pass
    return movie_list


def find_user_like(user_id):
    user_seen_movies = user_df[user_df['user_id'] == '{}'.format(user_id)].movie_id # 用户看过的电影的ID
    userlike_movies = [] # 储存用户比较喜欢的电影ID
    for i in list(user_seen_movies):
        if list(user_df[user_df['movie_id'] == i].rating)[0] >=4:
            userlike_movies.append(list(user_df[user_df['movie_id'] == i].movie_id)[0]) # 找出用户比较喜欢的电影的ID

    user_like_movies = [] # 储存用户喜欢的随机5部
    try:
        for i in range(5):
            user_like_movies.append(random.choice(userlike_movies))

        rec = []
        for each in user_like_movies:
            rec.extend(Recommend(each,7))
    except:
        return None
    return rec

# 代码实现参考开发者许继元

功能展现

界面

用户的登录与注册 界面检索

算法

推荐系统的冷启动： 基于用户行为数据与ItemCF算法的推荐： 通过对推荐系统中的电影进行打分形成行为数据后生成的推荐如图：

小结

本次实验通过python与MySQL实现推荐系统开发部分、ItemCF算法与基于用户的冷启动实现了对新老用户的个性化推荐、最终算法实现+简答系统开发实现了一个简单的推荐demo。通过本次实验，笔者学习到了推荐算法与简单的推荐系统开发知识，基本完成了一个简单推荐的从算法到简单开发的流程，但在的界面的美观设计、算法的多样性实现用户的个性化推荐、实际业务契合度等方面仍有待提高，有待未来进一步研究解决。同时感谢开发er许继元github项目的资料帮助，没有这个项目提供的收获，笔者可能无法短时间内完成这个demo，感谢帮助！

参考

[1]项亮.《推荐系统实践》.人民邮电出版社，2012.6 [2]许继元.DoubanMovieRecommendationSystem.github,2020.5