KGIN 2021（WWW）Learning Intents behind Interactions with Knowledge Graph for Recommendation

背景

利用知识图谱的结构信息进行嵌入丰富物品表示

• Collaborative Knowledge Base Embedding for Recommender Systems（2016）
• Learning Heterogeneous Knowledge Base Embeddings for Explainable Recommendation（2019）
• Unifying Knowledge Graph Learning and Recommendation: Towards a Better Understanding of User Preferences（2019）

利用用户物品之间的多跳路径来刻画用户物品之间的相关性

• Leveraging meta-path based context for top-n recommendation with a neural co-attention model（2019）
• Explainable Reasoning over Knowledge Graphs for Recommendation（2019）
• Reinforcement Knowledge Graph Reasoning for Explainable Recommendation（2019）

通过GNN图神经网络，将邻居信息聚集到表示中，丰富用户物品信息

• Knowledge-aware Graph Neural Networks with Label Smoothness Regularization for Recommender Systems（2019）
• Knowledge Graph Convolutional Networks for Recommender Systems（2019）
• Knowledge Graph Attention Network for Recommendation（2019）
• : Collaborative Knowledge-aware Attentive Network for Recommender System（2019）

提出问题

• 从更细致的角度看待用户对某一物品的喜爱，例如：一个用户喜欢一部电影，可能时因为喜欢它的导演，喜欢它的主演，喜欢它的类型等。即：用户意图：一个用户有多种意图，驱使用户购买不同的物品。在本论文中，作者假设和用户相关的意向有n个，$p_1,p_2,?,p_n$,这些意向是通过知识图谱中的关系的不同影响程度构成，比如，第一个意向只由关系$r_1$,$r_2$决定。

• 关系路径：现有的知识图谱主要通过node-based聚集邻居节点信息，通过一跳，二跳，三跳获取不同的路径，但是，这种方法并没有保留路径中的关系，没有充分利用关系中隐含的交互信息。
  • 没有区分路径来源：节点$u_1$ 和两跳邻居$v_2$：$u_1\stackrel{p_1}{?}{i}_1\stackrel{r_2}{?}{v}_2$和$u_1\stackrel{p_2}{?}{i}_2\stackrel{r_2}{?}{v}_2$，基于节点的聚合器主要通过衰减因子来转换和重新缩放$v_2$的表示，没有考虑不同的通道。
  • 目前的node-based使用注意力网络调控邻居节点的贡献度，但是关系依赖性并没有被捕获$($ e.g., $\left(p_2,r_2,r_3\right)$ in path $u_1\stackrel{p_2}{?}{i}_2\stackrel{r_2}{?}{v}_2\stackrel{r_3}{?}{v}_3)$。

主要贡献

• 在基于KG的推荐中显示交互背后的用户意图，以提供更好的模型能力和可解释性。
• 提出一个新的模型KGIN，该模型在GNN范式下以更精细的意图粒度和关系路径的远程语义考虑用户-项目关系。

模型输入

1. 交互数据
   O+={(u,i)∣u∈U,i∈I}O^{+}=\{(u, i) \mid u \in \mathcal{U}, i \in I\} O+={ (u,i)∣u∈U,i∈I}
2. 知识图谱
   该知识图谱包含物品的属性，分类，常识等异构信息。

基础架构

user intent modeling用户意图建模

利用多个潜在意图来描述用户与物品的关系，并将每个意图表述为KG中关系的组合，同时鼓励不同的意图相互独立，提供用户不同的影响力因子。

intent graph意向图

$\mathcal{P}$:用户共享的意向集合，我们可以假设用户共享的意向数量，本论文中是4个。
我们可以把用户物品交互信息$(u,i)$转为{(u,p,i)∣p∈P}\{(u, p, i) \mid p \in \mathcal{P}\}{ (u,p,i)∣p∈P}，从而建立意向图，从而以更细粒度的假设来探索用户物品之间的关系。

Representation Learning of Intents

假设一种意向是由多种关系构成，且不同的关系对意向的影响程度不同，因此采用注意力机制来形成对intent embedding。
$${\mathbf{e}}_p=\sum _{r\in \mathcal{R}}\alpha (r,p){\mathbf{e}}_r$$
$$\alpha (r,p)=\frac{\exp \left(w_{rp}\right)}{{\sum }_{r^{\prime }\in \mathcal{R}}\exp \left(w_{r^{\prime }p}\right)}$$

Independence Modeling of Intents

不同的意图应包含有关用户偏好的不同信息。如果一个意图可以被其他意图推断出来，则描述用户与项目的关系可能是多余的，信息量也较小。 相反，具有独特信息的意图将提供一个有用的角度来表征用户的行为模式。 因此，为了获得更好的模型能力和可解释性，我们鼓励意图的表示彼此不同，可以使用统计方法例如互信息，皮尔逊相关，距离相关性来实现。

Mutual information

最小化两个不同的意向表示之间的互信息，损失函数为
$${\mathcal{L}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{D}}=\sum _{p\in \mathcal{P}}?\log \frac{\exp \left(s\left({\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_p\right)/\tau \right)}{{\sum }_{p^{\prime }\in \mathcal{P}}\exp \left(s\left({\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_{p^{\prime }}\right)/\tau \right)}$$

Distance correlation

$${\mathcal{L}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{D}}=\sum _{p,p^{\prime }\in \mathcal{P},p?=p^{\prime }}d\mathrm{Cor}\left({\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_{p^{\prime }}\right)$$
$$d\mathrm{Cor}\left({\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_{p^{\prime }}\right)=\frac{d\mathrm{Cov}\left({\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_{p^{\prime }}\right)}{\sqrt{d\mathrm{Var}\left({\mathbf{e}}_p\right)?d\mathrm{Var}\left({\mathbf{e}}_{p^{\prime }}\right)}}$$

relational path-aware aggregation路径关系信息聚集

强调多跳路径中关系的依赖性，保路径中关系的语义信息。

Aggregation Layer over Intent Graph

利用IG意向图获取用户表示，依据协同过滤的思想，具有相似行为的用户具有相似的物品偏好，因为我们可以将用户历史物品信息作为原始现存特征，在IG中，是以更细粒度的用户意图体现的。对于用户u，我们另Nu={(p,i)∣(u,p,i)∈C}\mathcal{N}_{u}=\{(p, i) \mid(u, p, i) \in C\}Nu?={ (p,i)∣(u,p,i)∈C}表示意图历史，因此，用户表示为
$${\mathbf{e}}_u^{(1)}=f_{\mathrm{I}\mathrm{G}}\left(\left\{\left({\mathbf{e}}_u^{(0)},{\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_i^{(0)}\right)\mid (p,i)\in {\mathcal{N}}_u\right\}\right)$$
${\mathbf{e}}_u^{(1)}\in {\mathbb{R}}^d$是用户表示，$f_{\text{IG }}(?)$是聚集函数，本文中采用如下
$${\mathbf{e}}_u^{(1)}=\frac{1}{\left|{\mathcal{N}}_u\right|}\sum _{(p,i)\in {\mathcal{N}}_u}\beta (u,p){\mathbf{e}}_p\odot {\mathbf{e}}_i^{(0)}$$
不同的意图对用户的影响力不同，因此利用注意力得分来表示不同意图的重要性
$$\beta (u,p)=\frac{\exp \left({\mathbf{e}}_p^{?}{\mathbf{e}}_u^{(0)}\right)}{{\sum }_{p^{\prime }\in \mathcal{P}}\exp \left({\mathbf{e}}_{p^{\prime }}^{?}{\mathbf{e}}_u^{(0)}\right)}$$

Aggregation Layer over Knowledge Graph

利用知识图谱获取物品表示，在知识图谱中，一个实体和其他多个实体相关联，这些实体可以反应物品对应实体的特征。对于物品i，Ni={(r,v)∣(i,r,v)∈G}\mathcal{N}_{i}=\{(r, v) \mid(i, r, v) \in \mathcal{G}\}Ni?={ (r,v)∣(i,r,v)∈G}表示物品i的属性或者第一链接实体集，然后将关系信息整合到实体中
$${\mathbf{e}}_i^{(1)}=f_{\mathrm{K}\mathrm{G}}\left(\left\{\left({\mathbf{e}}_i^{(0)},{\mathbf{e}}_r,{\mathbf{e}}_v^{(0)}\right)\mid (r,v)\in {\mathcal{N}}_i\right\}\right)$$
$${\mathbf{e}}_i^{(1)}=\frac{1}{\left|{\mathcal{N}}_i\right|}\sum _{(r,v)\in {\mathcal{N}}_i}{\mathbf{e}}_r\odot {\mathbf{e}}_v^{(0)}$$

Capturing Relational Paths

在对一阶连通性建模后，我们进一步聚集深层邻居信息来得到有帮助的信息，我们递归的定义用户u和物品i 的表示
$$\begin{array}{l}{\mathbf{e}}_u^{(l)}=f_{\mathrm{I}\mathrm{G}}\left(\left\{\left({\mathbf{e}}_u^{(l?1)},{\mathbf{e}}_p,{\mathbf{e}}_i^{(l?1)}\right)\mid (p,i)\in {\mathcal{N}}_u\right\}\right)\\ {\mathbf{e}}_i^{(l)}=f_{\mathrm{K}\mathrm{G}}\left(\left\{\left({\mathbf{e}}_i^{(l?1)},{\mathbf{e}}_r,{\mathbf{e}}_v^{(l?1)}\right)\mid (r,v)\in {\mathcal{N}}_i\right\}\right)\end{array}$$
为了强调关系依赖性，令$s=i\stackrel{r_1}{?}{s}_1\stackrel{r_2}{?}?s_{l?1}\stackrel{r_l}{?}{s}_l$，表示以物品i为根节点的$l$跳路径，关系的序列为 $\left(r_1,r_2,?,r_l\right)$，因此物品的表示可以为
$${\mathbf{e}}_i^{(l)}=\sum _{s\in {\mathcal{N}}_i^l}\frac{{\mathbf{e}}_{r_1}}{\left|{\mathcal{N}}_{s_1}\right|}\odot \frac{{\mathbf{e}}_{r_2}}{\left|{\mathcal{N}}_{s_2}\right|}\odot ?\odot \frac{{\mathbf{e}}_{r_l}}{\left|{\mathcal{N}}_{s_l}\right|}\odot {\mathbf{e}}_{s_l}^{(0)}$$

模型预测

经过l层后，获得了用户和物品的表示，可以得到最终的表示
$${\mathbf{e}}_u^{?}={\mathbf{e}}_u^{(0)}+?+{\mathbf{e}}_u^{(L)},{\mathbf{e}}_i^{?}={\mathbf{e}}_i^{(0)}+?+{\mathbf{e}}_i^{(L)}$$
然后使用内积获取用户对物品的评分$${\hat{y}}_{ui}={\mathbf{e}}_u^{??}{\mathbf{e}}_i^{?}$$

模型优化

采用BPR损失函数重构历史数据
$${\mathcal{L}}_{\mathrm{B}\mathrm{P}\mathrm{R}}=\sum _{(u,i,j)\in O}?\ln \sigma \left({\hat{y}}_{ui}?{\hat{y}}_{uj}\right)$$
联合意向独立性损失和BPR损失，通过正则化，获取最终的代价函数为
$${\mathcal{L}}_{\mathrm{K}\mathrm{G}\mathrm{I}\mathrm{N}}={\mathcal{L}}_{\mathrm{B}\mathrm{P}\mathrm{K}}+{\lambda }_1{\mathcal{L}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{D}}+{\lambda }_2\Vert \Theta {\Vert }_2^2$$

数据集

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• Last-FM
• Alibaba-iFashion

参考资料

论文笔记