使用Python构建电影推荐系统

开发 前端
本文将余弦相似度与 KNN、Seaborn、Scikit-learn 和 Pandas 结合使用,创建一个使用用户评分数据的电影推荐系统。

在日常数据挖掘工作中,除了会涉及到使用Python处理分类或预测任务,有时候还会涉及推荐系统相关任务。

推荐系统用于各个领域,常见的例子包括视频和音乐服务的播放列表生成器、在线商店的产品推荐器或社交媒体平台的内容推荐器。在这个项目中,我们创建一个电影推荐器。

协同过滤通过收集许多用户的偏好或品味信息,对用户的兴趣进行自动预测(过滤)。到目前为止,推荐系统已经发展很长一段时间了,它们的模型基于各种技术,如加权平均、相关性、机器学习、深度学习等等。

自 1995 年以来,Movielens 20M dataset 拥有超过 2000 万个电影评级和标记活动。在本文中,我们将从movie.csv & rating.csv文件中检索信息。使用Python库:Pandas, Seaborn, Scikit-learn和SciPy,使用k-近邻算法中的余弦相似度训练模型。

以下是该项目的核心步骤:

  1. 导入和合并数据集并创建 Pandas DataFrame
  2. 添加必要的特征来分析数据
  3. 使用 Seaborn 可视化数据并分析数据
  4. 通过设置阈值过滤无效数据
  5. 创建一个以用户为索引、以电影为列的数据透视表
  6. 创建 KNN 模型并输出与每部电影相似的 5 个推荐

导入数据

导入和合并数据集并创建 Pandas DataFrame

MovieLens 20M 数据集自 1995 年以来超过 2000 万的电影评级和标记活动。

# usecols 允许选择自己选择的特征,并通过dtype设定对应类型
movies_df=pd.read_csv('movies.csv',
usecols=['movieId','title'],
dtype={'movieId':'int32','title':'str'})
movies_df.head()

ratings_df=pd.read_csv('ratings.csv',
usecols=['userId', 'movieId', 'rating','timestamp'],
dtype={'userId': 'int32', 'movieId': 'int32', 'rating': 'float32'})
ratings_df.head()

检查是否存在任何空值以及两个数据中的条目数。

# 检查缺失值
movies_df.isnull().sum()

movieId 0

title 0

dtype: int64

ratings_df.isnull().sum()

userId 0

movieId 0

rating 0

timestamp 0

dtype: int64

print("Movies:",movies_df.shape)
print("Ratings:",ratings_df.shape)

Movies: (9742, 2)

Ratings: (100836, 4)

合并列上的数据帧 'movieId'

# movies_df.info()
# ratings_df.info()
movies_merged_df=movies_df.merge(ratings_df, on='movieId')
movies_merged_df.head()

现在已经成功合并了导入的数据集。

添加衍生特征

添加必要的特征来分析数据。

通过按电影标题对用户评分进行分组来创建'Average Rating' & 'Rating Count'列。

movies_average_rating=movies_merged_df.groupby('title')['rating']\
.mean().sort_values(ascending=False)\
.reset_index().rename(columns={'rating':'Average Rating'})
movies_average_rating.head()

movies_rating_count=movies_merged_df.groupby('title')['rating']\
.count().sort_values(ascending=True)\
.reset_index().rename(columns={'rating':'Rating Count'}) #ascending=False
movies_rating_count_avg=movies_rating_count.merge(movies_average_rating, on='title')
movies_rating_count_avg.head()

目前已经创建了 2 个新的衍生特征。

数据可视化

使用 Seaborn 可视化数据:

  • 经过分析发现,许多电影在近 10 万用户评分的数据集上都有完美的 5 星平均评分。这表明存在异常值,我们需要通过可视化进一步确认。
  • 多部电影的评分比较单一,建议设置一个评分门槛值,以便产生有价值的推荐。

使用 seaborn & matplotlib 可视化数据,以便更好地观察和分析数据。

将新创建的特征绘制直方图,并查看它们的分布。设置 bin 大小为80,该值的设置需要具体分析,并合理设置。

# 导入可视化库
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.set(font_scale = 1)
plt.rcParams["axes.grid"] = False
plt.style.use('dark_background')
%matplotlib inline

# 绘制图形
plt.figure(figsize=(12,4))
plt.hist(movies_rating_count_avg['Rating Count'],bins=80,color='tab:purple')
plt.ylabel('Ratings Count(Scaled)', fontsize=16)
plt.savefig('ratingcounthist.jpg')

plt.figure(figsize=(12,4))
plt.hist(movies_rating_count_avg['Average Rating'],bins=80,color='tab:purple')
plt.ylabel('Average Rating',fontsize=16)
plt.savefig('avgratinghist.jpg')

图1 Average Rating直方图

图2 Rating Count的直方图

现在创建一个joinplot二维图表,将这两个特征一起可视化。

plot=sns.jointplot(x='Average Rating',
y='Rating Count',
data=movies_rating_count_avg,
alpha=0.5,
color='tab:pink')
plot.savefig('joinplot.jpg')

Average Rating和Rating Count的二维图

分析

  • 图1证实了,大部分电影的评分都是较低的。除了设置阈值之外,我们还可以在这个用例中使用一些更高百分比的分位数。
  • 直方图 2 展示了“Average Rating”的分布函数。

数据清洗

运用describe()函数得到数据集的描述统计值,如分位数和标准差等。

pd.set_option('display.float_format', lambda x: '%.3f' % x)
print(rating_with_RatingCount['Rating Count'].describe())
count   100836.000
mean 58.759
std 61.965
min 1.000
25% 13.000
50% 39.000
75% 84.000
max 329.000
Name: Rating Count, dtype: float64

设置阈值并筛选出高于阈值的数据。

popularity_threshold = 50
popular_movies= rating_with_RatingCount[
rating_with_RatingCount['Rating Count']>=popularity_threshold]
popular_movies.head()
# popular_movies.shape

至此已经通过过滤掉了评论低于阈值的电影来清洗数据。

创建数据透视表

创建一个以用户为索引、以电影为列的数据透视表

为了稍后将数据加载到模型中,需要创建一个数据透视表。并设置'title'作为索引,'userId'为列,'rating'为值。

import os
movie_features_df=popular_movies.pivot_table(
index='title',columns='userId',values='rating').fillna(0)
movie_features_df.head()
movie_features_df.to_excel('output.xlsx')

接下来将创建的数据透视表加载到模型。

建立 kNN 模型

建立 kNN 模型并输出与每部电影相似的 5 个推荐

使用scipy.sparse模块中的csr_matrix方法,将数据透视表转换为用于拟合模型的数组矩阵。

from scipy.sparse import csr_matrix
movie_features_df_matrix = csr_matrix(movie_features_df.values)

最后,使用之前生成的矩阵数据,来训练来自sklearn中的NearestNeighbors算法。并设置参数:metric = 'cosine', algorithm = 'brute'

from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
model_knn = NearestNeighbors(metric = 'cosine',
algorithm = 'brute')
model_knn.fit(movie_features_df_matrix)

现在向模型传递一个索引,根据'kneighbors'算法要求,需要将数据转换为单行数组,并设置n_neighbors的值。

query_index = np.random.choice(movie_features_df.shape[0])
distances, indices = model_knn.kneighbors(movie_features_df.iloc[query_index,:].values.reshape(1, -1),
n_neighbors = 6)

最后在 query_index 中输出出电影推荐。

for i in range(0, len(distances.flatten())):
if i == 0:
print('Recommendations for {0}:\n'
.format(movie_features_df.index[query_index]))
else:
print('{0}: {1}, with distance of {2}:'
.format(i, movie_features_df.index[indices.flatten()[i]],
distances.flatten()[i]))
Recommendations for Harry Potter and the Order of the Phoenix (2007):

1: Harry Potter and the Half-Blood Prince (2009), with distance of 0.2346513867378235:
2: Harry Potter and the Order of the Phoenix (2007), with distance of 0.3396233320236206:
3: Harry Potter and the Goblet of Fire (2005), with distance of 0.4170845150947571:
4: Harry Potter and the Prisoner of Azkaban (2004), with distance of 0.4499547481536865:
5: Harry Potter and the Chamber of Secrets (2002), with distance of 0.4506162405014038:

至此我们已经能够成功构建了一个仅基于用户评分的推荐引擎。

总结

以下是我们构建电影推荐系统的步骤摘要:

  1. 导入和合并数据集并创建 Pandas DataFrame
  2. 为了更好分析数据创建衍生变量
  3. 使用 Seaborn 可视化数据
  4. 通过设置阈值来清洗数据
  5. 创建了一个以用户为索引、以电影为列的数据透视表
  6. 建立一个 kNN 模型,并输出 5 个与每部电影最相似的推荐

写在最后

以下是可以扩展项目的一些方法:

  • 这个数据集不是很大,可以在项目中的包含数据集中的其他文件来扩展这个项目的范围。
  • 可以利用' ratings.csv' 中时间戳,分析评级在一段时间内的变化情况,并且可以在解析我们的模型时,根据时间戳对评级进行加权。
  • 该模型的性能远优于加权平均或相关模型,但仍有提升的空间,如使用高级 ML 算法甚至 DL 模型。


责任编辑:华轩 来源: 机器学习研习院
相关推荐

2023-10-31 16:46:45

2022-10-21 16:07:10

编码器自然语言模型

2017-05-16 15:00:24

深度学习

2023-09-19 08:00:00

Python开发

2019-05-21 08:00:22

推荐算法数据科学存储库

2023-09-05 09:00:00

工具Python抄袭检测系统

2023-12-01 10:21:00

机器学习算法

2020-06-04 17:38:49

PythonFastAPIWeb服务

2016-01-07 13:23:35

构建实时推荐系统

2020-07-28 15:20:43

PythonUI代码

2024-03-08 12:17:39

网络爬虫Python开发

2021-03-04 20:46:32

virtualenvwPython虚拟环境

2009-07-09 15:31:23

构建Python开发环

2023-06-01 15:14:55

架构Python微服务

2010-01-07 09:07:30

Windows 7测量系统

2016-08-18 01:36:14

协同过滤推荐电影用户

2011-12-20 14:49:21

投影仪推荐

2023-04-06 15:09:00

PythonGUI开发

2016-09-30 15:03:13

推荐系统算法

2024-01-11 16:24:12

人工智能RAG
点赞
收藏

51CTO技术栈公众号