Criar recomendações com base em feedback explícito usando um modelo de fatoração de matrizes

Neste tutorial, você vai aprender a criar um modelo de fatoração de matrizes e treiná-lo com as classificações de filmes dos clientes no conjunto de dados movielens1m. Em seguida, use o modelo de fatoração de matrizes para gerar recomendações de filmes para os usuários.

Usar as classificações fornecidas pelos clientes para treinar o modelo é chamado de treinamento com feedback explícito. Os modelos de fatoração de matrizes são treinados usando o algoritmo de mínimos quadrados alternados quando você usa feedback explícito como dados de treinamento.

Importante: é necessário ter uma reserva para usar um modelo de fatoração de matriz. Para saber mais informações, consulte Preços.

Objetivos

Este tutorial vai orientar você nas tarefas a seguir:

• Como criar um modelo de fatoração de matrizes usando a instrução CREATE MODEL.
• Avalie o modelo usando a função ML.EVALUATE.
• Gerar recomendações de filmes para usuários usando o modelo com a função ML.RECOMMEND.

Custos

Neste tutorial, usamos componentes faturáveis do Google Cloud, incluindo:

• BigQuery
• BigQuery ML

Para mais informações sobre os custos do BigQuery, consulte a página de preços do BigQuery.

Para mais informações sobre os custos do BigQuery ML, consulte os preços do BigQuery ML.

Antes de começar

Faça login na sua conta do Google Cloud . Se você começou a usar o Google Cloud, crie uma conta para avaliar o desempenho de nossos produtos em situações reais. Clientes novos também recebem US$ 300 em créditos para executar, testar e implantar cargas de trabalho.

In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

Roles required to select or create a project

• Select a project: Selecting a project doesn't require a specific IAM role—you can select any project that you've been granted a role on.
• Create a project: To create a project, you need the Project Creator role (roles/resourcemanager.projectCreator), which contains the resourcemanager.projects.create permission. Learn how to grant roles.

Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

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Verify that billing is enabled for your Google Cloud project.

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1. O BigQuery é ativado automaticamente em novos projetos. Para ativar o BigQuery em um projeto preexistente, acesse

   Ative a API BigQuery.

   Funções necessárias para ativar APIs

   Para ativar as APIs, é necessário ter o papel do IAM de administrador de uso do serviço (roles/serviceusage.serviceUsageAdmin), que contém a permissão serviceusage.services.enable. Saiba como conceder papéis.

   Ativar a API

Permissões exigidas

• Para criar o conjunto de dados, é preciso ter a permissão de IAM bigquery.datasets.create.

• Para criar o modelo, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.jobs.create
  • bigquery.models.create
  • bigquery.models.getData
  • bigquery.models.updateData

• Para executar a inferência, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.models.getData
  • bigquery.jobs.create

Para mais informações sobre os papéis e as permissões do IAM no BigQuery, consulte Introdução ao IAM.

crie um conjunto de dados

Crie um conjunto de dados do BigQuery para armazenar seu modelo de ML.

Console

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar a página do BigQuery

2. No painel Explorer, clique no nome do seu projeto.

3. Clique em Conferir ações > Criar conjunto de dados.

4. Na página Criar conjunto de dados, faça o seguinte:

   • Para o código do conjunto de dados, insira bqml_tutorial.

   • Em Tipo de local, selecione Multirregião e EUA.

   • Mantenha as configurações padrão restantes e clique em Criar conjunto de dados.

bq

Para criar um conjunto de dados, use o comando bq mk --dataset.

1. Crie um conjunto de dados chamado bqml_tutorial com o local dos dados definido como US.

   bq mk --dataset \
     --location=US \
     --description "BigQuery ML tutorial dataset." \
     bqml_tutorial

2. Confirme se o conjunto de dados foi criado:

   bq ls

API

Chame o método datasets.insert com um recurso de conjunto de dados definido.

{
  "datasetReference": {
     "datasetId": "bqml_tutorial"
  }
}

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

import google.cloud.bigquery

bqclient = google.cloud.bigquery.Client()
bqclient.create_dataset("bqml_tutorial", exists_ok=True)

Fazer upload dos dados do MovieLens

Faça o upload dos dados de movielens1m no BigQuery.

CLI

Siga estas etapas para fazer upload dos dados de movielens1m usando a ferramenta de linha de comando bq:

1. Abra o Cloud Shell:

   Ativar o Cloud Shell

2. Faça upload dos dados de classificação para a tabela ratings. Na linha de comando, cole a seguinte consulta e pressione Enter:

   curl -O 'http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-1m.zip'
   unzip ml-1m.zip
   sed 's/::/,/g' ml-1m/ratings.dat > ratings.csv
   bq load --source_format=CSV bqml_tutorial.ratings ratings.csv \
     user_id:INT64,item_id:INT64,rating:FLOAT64,timestamp:TIMESTAMP
   

3. Faça upload dos dados do filme na tabela movies. Na linha de comando, cole a seguinte consulta e pressione Enter:

   sed 's/::/@/g' ml-1m/movies.dat > movie_titles.csv
   bq load --source_format=CSV --field_delimiter=@ \
   bqml_tutorial.movies movie_titles.csv \
   movie_id:INT64,movie_title:STRING,genre:STRING
   

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

Primeiro, crie um objeto Client com bqclient = google.cloud.bigquery.Client() e carregue os dados movielens1m no conjunto de dados criado na etapa anterior.

import io
import zipfile

import google.api_core.exceptions
import requests

try:
    # Check if you've already created the Movielens tables to avoid downloading
    # and uploading the dataset unnecessarily.
    bqclient.get_table("bqml_tutorial.ratings")
    bqclient.get_table("bqml_tutorial.movies")
except google.api_core.exceptions.NotFound:
    # Download the https://grouplens.org/datasets/movielens/1m/ dataset.
    ml1m = requests.get("http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-1m.zip")
    ml1m_file = io.BytesIO(ml1m.content)
    ml1m_zip = zipfile.ZipFile(ml1m_file)

    # Upload the ratings data into the ratings table.
    with ml1m_zip.open("ml-1m/ratings.dat") as ratings_file:
        ratings_content = ratings_file.read()

    ratings_csv = io.BytesIO(ratings_content.replace(b"::", b","))
    ratings_config = google.cloud.bigquery.LoadJobConfig()
    ratings_config.source_format = "CSV"
    ratings_config.write_disposition = "WRITE_TRUNCATE"
    ratings_config.schema = [
        google.cloud.bigquery.SchemaField("user_id", "INT64"),
        google.cloud.bigquery.SchemaField("item_id", "INT64"),
        google.cloud.bigquery.SchemaField("rating", "FLOAT64"),
        google.cloud.bigquery.SchemaField("timestamp", "TIMESTAMP"),
    ]
    bqclient.load_table_from_file(
        ratings_csv, "bqml_tutorial.ratings", job_config=ratings_config
    ).result()

    # Upload the movie data into the movies table.
    with ml1m_zip.open("ml-1m/movies.dat") as movies_file:
        movies_content = movies_file.read()

    movies_csv = io.BytesIO(movies_content.replace(b"::", b"@"))
    movies_config = google.cloud.bigquery.LoadJobConfig()
    movies_config.source_format = "CSV"
    movies_config.field_delimiter = "@"
    movies_config.write_disposition = "WRITE_TRUNCATE"
    movies_config.schema = [
        google.cloud.bigquery.SchemaField("movie_id", "INT64"),
        google.cloud.bigquery.SchemaField("movie_title", "STRING"),
        google.cloud.bigquery.SchemaField("genre", "STRING"),
    ]
    bqclient.load_table_from_file(
        movies_csv, "bqml_tutorial.movies", job_config=movies_config
    ).result()

Criar o modelo

Crie um modelo de fatoração de matrizes e treine-o com os dados da tabela ratings. O modelo é treinado para prever uma classificação para cada par de usuário e item, com base nas classificações de filmes fornecidas pelo cliente.

SQL

A instrução CREATE MODEL a seguir usa essas colunas para gerar recomendações:

• user_id: o ID do usuário.
• item_id: o ID do filme.
• rating: a classificação explícita de 1 a 5 que o usuário deu ao item.

Siga estas etapas para criar o modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta abaixo e clique em Executar:

   CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.mf_explicit`
   OPTIONS (
     MODEL_TYPE = 'matrix_factorization',
     FEEDBACK_TYPE = 'explicit',
     USER_COL = 'user_id',
     ITEM_COL = 'item_id',
     L2_REG = 9.83,
     NUM_FACTORS = 34)
   AS
   SELECT
   user_id,
   item_id,
   rating
   FROM `bqml_tutorial.ratings`;

   A consulta leva cerca de 10 minutos para ser concluída. Depois disso, o modelo mf_explicit aparece no painel Explorer. Como a consulta usa uma instrução CREATE MODEL para criar um modelo, não é possível ver os resultados dela.

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

from bigframes.ml import decomposition
import bigframes.pandas as bpd

# Load data from BigQuery
bq_df = bpd.read_gbq(
    "bqml_tutorial.ratings", columns=("user_id", "item_id", "rating")
)

# Create the Matrix Factorization model
model = decomposition.MatrixFactorization(
    num_factors=34,
    feedback_type="explicit",
    user_col="user_id",
    item_col="item_id",
    rating_col="rating",
    l2_reg=9.83,
)
model.fit(bq_df)
model.to_gbq(
    your_model_id, replace=True  # For example: "bqml_tutorial.mf_explicit"
)

O código leva cerca de 10 minutos para ser concluído. Depois disso, o modelo mf_explicit aparece no painel Explorer.

Ver estatísticas de treinamento

Se quiser, confira as estatísticas de treinamento do modelo no console Google Cloud .

Para criar um modelo, um algoritmo de machine learning cria várias iterações dele usando parâmetros diferentes e seleciona a versão que minimiza a perda. Esse processo é chamado de minimização do risco empírico. As estatísticas de treinamento do modelo permitem que você veja a perda associada a cada iteração.

Siga estas etapas para conferir as estatísticas de treinamento do modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel à esquerda, clique em Explorer:

   

   Se o painel esquerdo não aparecer, clique em Expandir painel esquerdo para abrir.

3. No painel Explorer, expanda o projeto, clique em Conjuntos de dados e, em seguida, clique no conjunto de dados bqml_tutorial.

4. Clique na guia Modelos.

5. Clique no modelo mf_explicit e na guia Treinamento.

6. Na seção Visualizar como, clique em Tabela. Os resultados devem ficar assim:

   +-----------+--------------------+--------------------+
   | Iteration | Training Data Loss | Duration (seconds) |
   +-----------+--------------------+--------------------+
   |  11       | 0.3943             | 42.59              |
   +-----------+--------------------+--------------------+
   |  10       | 0.3979             | 27.37              |
   +-----------+--------------------+--------------------+
   |   9       | 0.4038             | 40.79              |
   +-----------+--------------------+--------------------+
   |  ...      | ...                | ...                |
   +-----------+--------------------+--------------------+
   

   A coluna Perda de dados de treinamento representa a métrica de perda calculada após o treinamento do modelo. Como esse é um modelo de fatoração de matrizes, essa coluna mostra o erro quadrático médio.

Também é possível usar a função ML.TRAINING_INFO para conferir as estatísticas de treinamento de modelo.

Avaliar o modelo

Avalie o desempenho do modelo comparando as classificações de filmes previstas retornadas pelo modelo com as classificações reais de filmes do usuário nos dados de treinamento.

SQL

Use a função ML.EVALUATE para avaliar o modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta abaixo e clique em Executar:

   SELECT
   *
   FROM
   ML.EVALUATE(
     MODEL `bqml_tutorial.mf_explicit`,
     (
       SELECT
         user_id,
         item_id,
         rating
       FROM
         `bqml_tutorial.ratings`
     ));

   A resposta deve ficar assim:

   +---------------------+---------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   | mean_absolute_error | mean_squared_error  | mean_squared_log_error | median_absolute_error |      r2_score      | explained_variance |
   +---------------------+---------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   | 0.48494444327829156 | 0.39433706592870565 |   0.025437895793637522 |   0.39017059802629905 | 0.6840033369412044 | 0.6840033369412264 |
   +---------------------+---------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   

   Uma métrica importante nos resultados da avaliação é a pontuação R². A pontuação R² é uma medida estatística que determina se as previsões de regressão linear se aproximam dos dados reais. Um valor de 0 indica que o modelo não explica a variabilidade dos dados de resposta em torno da média. Um valor 1 indica que o modelo explica toda a variabilidade dos dados de resposta em torno da média.

   Para mais informações sobre a saída da função ML.EVALUATE, consulte Saída.

Também é possível chamar ML.EVALUATE sem fornecer os dados de entrada. Ela usará as métricas de avaliação calculadas durante o treinamento.

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

Chame model.score() para avaliar o modelo.

# Evaluate the model using the score() function
model.score(bq_df)
# Output:
# mean_absolute_error	mean_squared_error	mean_squared_log_error	median_absolute_error	r2_score	explained_variance
# 0.485403	                0.395052	        0.025515	            0.390573	        0.68343	        0.68343

Receber as classificações previstas para um subconjunto de pares de usuário e item

Receba a classificação prevista de cada filme para cinco usuários.

SQL

Use a função ML.RECOMMEND para receber classificações previstas:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta abaixo e clique em Executar:

   SELECT
   *
   FROM
   ML.RECOMMEND(
     MODEL `bqml_tutorial.mf_explicit`,
     (
       SELECT
         user_id
       FROM
         `bqml_tutorial.ratings`
       LIMIT 5
     ));

   A resposta deve ficar assim:

   +--------------------+---------+---------+
   | predicted_rating   | user_id | item_id |
   +--------------------+---------+---------+
   | 4.2125303962491873 | 4       | 3169    |
   +--------------------+---------+---------+
   | 4.8068920531981263 | 4       | 3739    |
   +--------------------+---------+---------+
   | 3.8742203494732403 | 4       | 3574    |
   +--------------------+---------+---------+
   | ...                | ...     | ...     |
   +--------------------+---------+---------+
   

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

Chame model.predict() para receber as classificações previstas.

# Use predict() to get the predicted rating for each movie for 5 users
subset = bq_df[["user_id"]].head(5)
predicted = model.predict(subset)
print(predicted)
# Output:
#   predicted_rating	user_id	 item_id	rating
# 0	    4.206146	     4354	  968	     4.0
# 1	    4.853099	     3622	  3521	     5.0
# 2	    2.679067	     5543	  920	     2.0
# 3	    4.323458	     445	  3175	     5.0
# 4	    3.476911	     5535	  235	     4.0

Gerar recomendações

Use as classificações previstas para gerar os cinco principais filmes recomendados para cada usuário.

SQL

Siga estas etapas para gerar recomendações:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. Grave as classificações previstas em uma tabela. No editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   CREATE OR REPLACE TABLE `bqml_tutorial.recommend`
   AS
   SELECT
   *
   FROM
   ML.RECOMMEND(MODEL `bqml_tutorial.mf_explicit`);

3. Junte as classificações previstas com as informações do filme e selecione os cinco principais resultados por usuário. No editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

  SELECT
    user_id,
    ARRAY_AGG(STRUCT(movie_title, genre, predicted_rating) ORDER BY predicted_rating DESC LIMIT 5)
  FROM
    (
      SELECT
        user_id,
        item_id,
        predicted_rating,
        movie_title,
        genre
      FROM
        `bqml_tutorial.recommend`
      JOIN
        `bqml_tutorial.movies`
        ON
          item_id = movie_id
    )
  GROUP BY
    user_id;

A resposta deve ficar assim:

  +---------+-------------------------------------+------------------------+--------------------+
  | user_id | f0_movie_title                      | f0_genre               | predicted_rating   |
  +---------+-------------------------------------+------------------------+--------------------+
  | 4597    | Song of Freedom (1936)              | Drama                  | 6.8495752907364009 |
  |         | I Went Down (1997)                  | Action/Comedy/Crime    | 6.7203235758772877 |
  |         | Men With Guns (1997)                | Action/Drama           | 6.399407352232001  |
  |         | Kid, The (1921)                     | Action                 | 6.1952890198126731 |
  |         | Hype! (1996)                        | Documentary            | 6.1895766097451475 |
  +---------+-------------------------------------+------------------------+--------------------+
  | 5349    | Fandango (1985)                     | Comedy                 | 9.944574012151549  |
  |         | Breakfast of Champions (1999)       | Comedy                 | 9.55661860430112   |
  |         | Funny Bones (1995)                  | Comedy                 | 9.52778917835076   |
  |         | Paradise Road (1997)                | Drama/War              | 9.1643621767929133 |
  |         | Surviving Picasso (1996)            | Drama                  | 8.807353289233772  |
  +---------+-------------------------------------+------------------------+--------------------+
  | ...     | ...                                 | ...                    | ...                |
  +---------+-------------------------------------+------------------------+--------------------+
  

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

Chame model.predict() para receber as classificações previstas.

# import bigframes.bigquery as bbq

# Load movies
movies = bpd.read_gbq("bqml_tutorial.movies")

# Merge the movies df with the previously created predicted df
merged_df = bpd.merge(predicted, movies, left_on="item_id", right_on="movie_id")

# Separate users and predicted data, setting the index to 'movie_id'
users = merged_df[["user_id", "movie_id"]].set_index("movie_id")

# Take the predicted data and sort it in descending order by 'predicted_rating', setting the index to 'movie_id'
sort_data = (
    merged_df[["movie_title", "genre", "predicted_rating", "movie_id"]]
    .sort_values(by="predicted_rating", ascending=False)
    .set_index("movie_id")
)

# re-merge the separated dfs by index
merged_user = sort_data.join(users, how="outer")

# group the users and set the user_id as the index
merged_user.groupby("user_id").head(5).set_index("user_id").sort_index()
print(merged_user)
# Output:
# 	            movie_title	                genre	        predicted_rating
# user_id
#   1	    Saving Private Ryan (1998)	Action|Drama|War	    5.19326
#   1	        Fargo (1996)	       Crime|Drama|Thriller	    4.996954
#   1	    Driving Miss Daisy (1989)	    Drama	            4.983671
#   1	        Ben-Hur (1959)	       Action|Adventure|Drama	4.877622
#   1	     Schindler's List (1993)	   Drama|War	        4.802336
#   2	    Saving Private Ryan (1998)	Action|Drama|War	    5.19326
#   2	        Braveheart (1995)	    Action|Drama|War	    5.174145
#   2	        Gladiator (2000)	      Action|Drama	        5.066372
#   2	        On Golden Pond (1981)	     Drama	            5.01198
#   2	    Driving Miss Daisy (1989)	     Drama	            4.983671

Limpeza

Para evitar cobranças na sua conta do Google Cloud pelos recursos usados no tutorial, exclua o projeto que os contém ou mantenha o projeto e exclua os recursos individuais.

• exclua o projeto que você criou; ou
• Mantenha o projeto e exclua o conjunto de dados.

Excluir o conjunto de dados

A exclusão do seu projeto removerá todos os conjuntos de dados e tabelas no projeto. Caso prefira reutilizá-lo, exclua o conjunto de dados criado neste tutorial:

1. Se necessário, abra a página do BigQuery no console do Google Cloud .

   Acessar a página do BigQuery

2. Na navegação, clique no conjunto de dados bqml_tutorial criado.

3. Clique em Excluir conjunto de dados no lado direito da janela. Essa ação exclui o conjunto, a tabela e todos os dados.

4. Na caixa de diálogo Excluir conjunto de dados, confirme o comando de exclusão digitando o nome do seu conjunto de dados (bqml_tutorial). Em seguida, clique em Excluir.

Excluir o projeto

Para excluir o projeto:

Cuidado: excluir um projeto tem os seguintes efeitos:

• Tudo no projeto é excluído. Se você tiver usado um projeto atual para as tarefas neste documento, a exclusão dele incluirá a exclusão de quaisquer outros trabalhos feitos nele.
• Os IDs do projeto personalizados são perdidos. Ao criar o projeto, você pode ter criado um ID do projeto personalizado para ser usado no futuro. Para preservar os URLs que usam o ID do projeto, como um URL appspot.com, exclua recursos específicos do projeto, em vez de excluir o projeto inteiro.

Se você planeja explorar várias arquiteturas, tutoriais e guias de início rápido, a reutilização de projetos pode evitar que você exceda limites da cota.

1. No console Google Cloud , acesse a página Gerenciar recursos.

   Acessar "Gerenciar recursos"

2. Na lista de projetos, selecione o projeto que você quer excluir e clique em Excluir .
3. Na caixa de diálogo, digite o ID do projeto e clique em Encerrar para excluí-lo.

A seguir

• Tente criar um modelo de fatoração de matrizes com base no feedback implícito.
• Para uma visão geral sobre ML do BigQuery, consulte Introdução ao ML do BigQuery.
• Para saber mais sobre machine learning, consulte o Curso intensivo de machine learning.