解决长尾和冷启动问题的基本方法

1什么是长尾问题

长尾问题一直是很多场景中最难优化的问题，特别是在推荐系统领域，长尾问题十分常见，却很难优化。在推荐系统中，长尾问题指的是，某些实体在训练数据中出现次数非常少，导致模型对这部分样本打分效果很差。典型的场景包括，新用户没有几条浏览行为，如何准确推荐用户感兴趣的内容；一些商品非常小众，用户反馈很少，如何对这些商品进行推荐等等。长尾在一个成熟的系统中往往服从二八定律，即20%的头部实体贡献了80%的数据，而剩余80%的实体只有20%的数据，实际场景中甚至比二八还要长尾。

长尾问题的难点主要体现在以下2点。首先，长尾实体的样本量太少，模型很难学习这部分样本的规律，例如用户的embedding、商品的embedding等，都是需要大量数据学习的。其次，头部样本在数量上占绝对优势，导致模型偏向拟合头部样本的规律，而尾部样本的规律和头部样本可能有较大差异，导致模型在尾部样本效果不好。

2如何解决长尾问题

那么，如何解决长尾问题呢？业内工作主要包括两种核心优化方法。第一种方法是基于meta-learning解决长尾问题。刚才我们说到，长尾用户或商品的数据量少，模型难学习，那么我们就让模型具备在少量样本上能学的比较好的能力就可以了。而meta-learning正是让模型实现上述能力的方法。我在之前的文章Meta-learning核心思想及近年顶会3个优化方向中对meta-learning的核心思路进行了详细介绍，感兴趣的同学可以进一步深入阅读。第二种方法是基于图学习解决长尾问题。长尾部分的由于数据少无法学到良好的embedding，在图学习中，可以利用丰富的邻居节点信息对长尾实体的信息进行补充，进而学到更好的embedding。

下面，我们分别来看看基于meta-learning的方法和基于图学习的方法解决长尾问题的典型工作。

3基于meta-learning的方法

基于meta-learning的长尾问题解决方法又可以分为两种思路，一种是利用meta-learning生成长尾用户或商品的良好embedding，另一种是利用meta-learning让模型获得在小样本上的快速学习能力。这里分别介绍两个思路的两篇经典文章。

第一篇文章是Improving ctr predictions via learning to learn id embeddings（SIGIR 2019）。这篇文章主要场景是广告的ctr预估，解决的问题是如何提升冷启动广告的预测效果。本文提出了基于meta-learning的冷启动广告embedding学习方法。首先将每个ad的ctr预测看成是meta-learning中一个独立的任务。然后学习一个embedding生成器，生成器的输入是广告的特征，输出embedding。整个过程利用meta-learning的思路进行学习，利用meta-learning中的support set和query set模拟一个冷启动广告生成embedding和使用embedding预测，进而优化embedding生成器。

整个meta-learning的过程如下所示，在一个预训练好的模型基础上进行。随机选择一些广告，生成两个batch的数据。使用embedding生成器生成embedding后使用第一个batch计算loss，再利用这个loss更新一步生成器（内循环）；然后使用更新后的生成器计算另一个batch上的loss（外循环），并更新最终参数。

第二篇文章是MeLU: meta-learned user preference estimator for cold-start recommendation（KDD 2019）。这篇文章主要也是借助了meta-learning让模型具有快速学习能力，让模型能够在冷启动样本上，只看到少数几个item就能进行快速的更新参数。

这篇文章重点解决的是user侧的冷启动问题，对于一个user的数据分成support set和query set，在support set内循环后在queryset评估效果并进行全局更新。embedding层不使用meta-learning，只在全连接层进行meta-learning。

4基于图学习的方法

基于图的学习方法通过图建立不同实体之间的关系，进而可以用其他实体的信息丰富长尾实体的信息，缓解由于长尾导致的样本不充分无法学习良好表示的问题。

Learning Graph Meta Embeddings for Cold-Start Ads in Click-Through Rate Prediction（SIGIR 2021）利用图学习解决新ad的embedding生成问题。对于新ad，使用属性特征和图学习生成一个合理的embedding。根据属性重合度构造新ad的相似邻居，并按照属性的重合度排序，得到最相似的几个ad。然后利用GAT进行new ad和其邻居的信息融合，再用全连接生成新ad的向量表示，作为id embedding。这个过程相当于根据属性找到与新ad最相似的旧ad，用旧ad的信息丰富新ad的embedding。在训练方法上，先用旧ad训练一个正常的ctr预估模型，然后固定ctr模型的参数，单独训练新ad表示生成部分的参数，利用meta-learning的方法更新模型参数。

Graph Intention Network for Click-through Rate Prediction in Sponsored Search（SIGIR 2019）也是一篇比较有代表性的工作。CTR预估中经常需要对历史行为建模提升效果（比如用户历史点击过的商品），但是长尾用户的历史行为比较稀疏。因此这篇文章提出，利用点击行为构造商品和商品之间的图，利用这个图补充历史行为信息。通过商品-商品图，可以挖掘出和当前商品高度相关的其他商品，这些商品虽然没有直接的点击行为，但由于和点击过的商品高度相关，因此用户点击这些商品的概率可能也很高。通过这种基于图扩展信息的方法，解决长尾用户历史行为稀疏的问题。

5总结

本文为大家介绍了解决长尾和冷启动问题的基本方法，主要包括meta-learning和图学习两个路线。Meta-learning更侧重于让模型具有在小样本上快速学习的能力；而图学习更侧重于挖掘和长尾实体相关的邻居，用邻居信息补充长尾实体的信息。

审核编辑 ：李倩