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: você precisa ter uma reserva para usar um modelo de fatoração de matriz. Para saber mais informações, consulte Preços.

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 Ver 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 (várias regiões nos Estados Unidos).

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

bq

Para criar um novo conjunto de dados, utilize o comando bq mk com a sinalização --location. Para obter uma lista completa de parâmetros, consulte a referência comando bq mk --dataset.

1. Crie um conjunto de dados chamado bqml_tutorial com o local dos dados definido como US e uma descrição de BigQuery ML tutorial dataset:

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

   Em vez de usar a flag --dataset, o comando usa o atalho -d. Se você omitir -d e --dataset, o comando vai criar um conjunto de dados por padrão.

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 de filmes para a 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 a seguir 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 seu 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 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 a seguir 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 a seguir 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