Contributions à l'efficacité et au passage à l'échelle des Systèmes de Recommandations

Towards Accurate and Scalable Recommender Systems

• Auteur / Autrice : Manuel Pozo
• Direction : Elisabeth Métais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/10/2016
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Senellart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Métais, Raja Chiky, Farid Meziane, Cédric Du Mouza, Florent Masseglia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Boyer, Maguelonne Teisseire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de recommandation (informatique)

Mots clés libres

Filtrage collaboratif

Système de recommandation

Distribution

Filtre de bloom

Demarrage à froid

Apprentissage actif

Collaborative filtering

Recommender system

Distribution

Bloom filter

Cold-Start

Active learning

Résumé

Les systèmes de recommandation visent à présélectionner et présenter en premier les informations susceptibles d'intéresser les utilisateurs. Ceci a suscité l'attention du commerce électronique, où l'historique des achats des utilisateurs sont analysés pour prédire leurs intérêts futurs et pouvoir personnaliser les offres ou produits (appelés aussi items) qui leur sont proposés. Dans ce cadre, les systèmes de recommandation exploitent les préférences des utilisateurs et les caractéristiques des produits et des utilisateurs pour prédire leurs préférences pour des futurs items. Bien qu'ils aient démontré leur précision, ces systèmes font toujours face à de grands défis tant pour le monde académique que pour l'industrie : ces techniques traitent un grand volume de données qui exige une parallélisation des traitements, les données peuvent être également très hétérogènes, et les systèmes de recommandation souffrent du démarrage à froid, situation dans laquelle le système n'a pas (ou pas assez) d'informations sur (les nouveaux) utilisateurs/items pour proposer des recommandations précises. La technique de factorisation matricielle a démontré une précision dans les prédictions et une simplicité de passage à l'échelle. Cependant, cette approche a deux inconvénients : la complexité d'intégrer des données hétérogènes externes (telles que les caractéristiques des items) et le démarrage à froid pour un nouvel utilisateur. Cette thèse a pour objectif de proposer un système offrant une précision dans les recommandations, un passage à l'échelle pour traiter des données volumineuses, et permettant d'intégrer des données variées sans remettre en question l'indépendance du système par rapport au domaine d'application. De plus, le système doit faire face au démarrage à froid utilisateurs car il est important de fidéliser et satisfaire les nouveaux utilisateurs. Cette thèse présente quatre contributions au domaine des systèmes de recommandation: (1) nous proposons une implémentation d'un algorithme de recommandation de factorisation matricielle parallélisable pour assurer un meilleur passage à l'échelle, (2) nous améliorons la précision des recommandations en prenant en compte l'intérêt implicite des utilisateurs dans les attributs des items, (3) nous proposons une représentation compacte des caractéristiques des utilisateurs/items basée sur les filtres de bloom permettant de réduire la quantité de mémoire utile, (4) nous faisons face au démarrage à froid d'un nouvel utilisateur en utilisant des techniques d'apprentissage actif. La phase d'expérimentation utilise le jeu de données MovieLens et la base de données IMDb publiquement disponibles, ce qui permet d'effectuer des comparaisons avec des techniques existantes dans l'état de l'art. Ces expérimentations ont démontré la précision et l'efficacité de nos approches.

Recommender Systems aim at pre-selecting and presenting first the information in which users may be interested. This has raised the attention of the e-commerce, where the interests of users are analysed in order to predict future interests and to personalize the offers (a.k.a. items). Recommender systems exploit the current preferences of users and the features of items/users in order to predict their future preference in items.Although they demonstrate accuracy in many domains, these systems still face great challenges for both academia and industry: they require distributed techniques to deal with a huge volume of data, they aim to exploit very heterogeneous data, and they suffer from cold-start, situation in which the system has not (enough) information about (new) users/items to provide accurate recommendations. Among popular techniques, Matrix Factorization has demonstrated high accurate predictions and scalability to parallelize the analysis among multiple machines. However, it has two main drawbacks: (1) difficulty of integrating external heterogeneous data such as items' features, and (2) the cold-start issue. The objective of this thesis is to answer to many challenges in the field of recommender systems: (1) recommendation techniques deal with complex analysis and a huge volume of data; in order to alleviate the time consumption of analysis, these techniques need to parallelize the process among multiple machines, (2) collaborative filtering techniques do not naturally take into account the items' descriptions in the recommendation, although this information may help to perform more accurate recommendations, (3) users' and items' descriptions in very large dataset contexts can become large and memory-consuming; this makes data analysis more complex, and (4) the new user cold-start is particularly important to perform new users' recommendations and to assure new users fidelity. Our contributions to this area are given by four aspects: (1) we improve the distribution of a matrix factorization recommendation algorithm in order to achieve better scalability, (2) we enhance recommendations performed by matrix factorization by studying the implicit interest of the users in the attributes of the items, (3) we propose an accurate and low-space binary vector based on Bloom Filters for representing users/items through a high quantity of features in low memory-consumption, and (4) we cope with the new user cold-start in collaborative filtering by using active learning techniques. The experimentation phase uses the publicly available MovieLens dataset and IMDb database, what allows to perform fair comparisons to the state of the art. Our contributions demonstrate their performance in terms of accuracy and efficiency.