# 背景介绍
CTR(Click-through rate) 是用来表示用户点击一个特定链接的概率，
通常被用来衡量一个在线广告系统的有效性。
当有多个广告位时，CTR 预估一般会作为排序的基准。
比如在搜索引擎的广告系统里，当用户输入一个带商业价值的搜索词（query）时，系统大体上会执行下列步骤来展示广告：
1. 召回满足 query 的广告集合
2. 业务规则和相关性过滤
3. 根据拍卖机制和 CTR 排序
4. 展出广告
可以看到，CTR 在最终排序中起到了很重要的作用。
在业内，CTR 模型经历了如下的发展阶段：
- Logistic Regression(LR) / GBDT + 特征工程
- LR + DNN 特征
- DNN + 特征工程
在发展早期时 LR 一统天下，但最近 DNN 模型由于其强大的学习能力和逐渐成熟的性能优化，
逐渐地接过 CTR 预估任务的大旗。
## LR vs DNN
下图展示了 LR 和一个 \(3x2\) 的 NN 模型的结构：
LR 部分和蓝色箭头部分可以直接类比到 NN 中的结构，可以看到 LR 和 NN 有一些共通之处（比如权重累加），
但前者的模型复杂度在相同输入维度下比后者可能低很多（从某方面讲，模型越复杂，越有潜力学习到更复杂的信息）。
如果 LR 要达到匹敌 NN 的学习能力，必须增加输入的维度，也就是增加特征的数量，
这也就是为何 LR 和大规模的特征工程必须绑定在一起的原因。
LR 对于 NN 模型的优势是对大规模稀疏特征的容纳能力，包括内存和计算量等方面，工业界都有非常成熟的优化方法。
而 NN 模型具有自己学习新特征的能力，一定程度上能够提升特征使用的效率，
这使得 NN 模型在同样规模特征的情况下，更有可能达到更好的学习效果。
本文后面的章节会演示如何使用 PaddlePaddle 编写一个结合两者优点的模型。
# 数据和任务抽象
我们可以将 `click` 作为学习目标，具体任务可以有以下几种方案：
1. 直接学习 click，0,1 作二元分类
2. Learning to rank, 具体用 pairwise rank（标签 1>0）或者 list rank
3. 统计每个广告的点击率，将同一个 query 下的广告两两组合，点击率高的>点击率低的，做 rank 或者分类
我们直接使用第一种方法做分类任务。
我们使用 Kaggle 上 `Click-through rate prediction` 任务的数据集[3] 来演示模型。
具体的特征处理方法参看 [data process](./dataset.md)
# Wide & Deep Learning Model
谷歌在 16 年提出了 Wide & Deep Learning 的模型框架，用于融合适合学习抽象特征的 DNN 和 适用于大规模稀疏特征的 LR 两种模型的优点。
## 模型简介
Wide & Deep Learning Model 可以作为一种相对成熟的模型框架使用，
在 CTR 预估的任务中工业界也有一定的应用，因此本文将演示使用此模型来完成 CTR 预估的任务。
模型结构如下：
模型左边的 Wide 部分，可以容纳大规模系数特征，并且对一些特定的信息（比如 ID）有一定的记忆能力；
而模型右边的 Deep 部分，能够学习特征间的隐含关系，在相同数量的特征下有更好的学习和推导能力。
## 编写模型输入
模型只接受 3 个输入，分别是
- `dnn_input` ，也就是 Deep 部分的输入
- `lr_input` ，也就是 Wide 部分的输入
- `click` ， 点击与否，作为二分类模型学习的标签
```python
dnn_merged_input = layer.data(
name='dnn_input',
type=paddle.data_type.sparse_binary_vector(data_meta_info['dnn_input']))
lr_merged_input = layer.data(
name='lr_input',
type=paddle.data_type.sparse_binary_vector(data_meta_info['lr_input']))
click = paddle.layer.data(name='click', type=dtype.dense_vector(1))
```
## 编写 Wide 部分
Wide 部分直接使用了 LR 模型，但激活函数改成了 `RELU` 来加速
```python
def build_lr_submodel():
fc = layer.fc(
input=lr_merged_input, size=1, name='lr', act=paddle.activation.Relu())
return fc
```
## 编写 Deep 部分
Deep 部分使用了标准的多层前向传导的 NN 模型
```python
def build_dnn_submodel(dnn_layer_dims):
dnn_embedding = layer.fc(input=dnn_merged_input, size=dnn_layer_dims[0])
_input_layer = dnn_embedding
for no, dim in enumerate(dnn_layer_dims[1:]):
fc = layer.fc(
input=_input_layer,
size=dim,
act=paddle.activation.Relu(),
name='dnn-fc-%d' % no)
_input_layer = fc
return _input_layer
```
## 两者融合
两个 submodel 的最上层输出加权求和得到整个模型的输出，输出部分使用 `sigmoid` 作为激活函数，得到区间\((0,1)\) 的预测值，
来逼近训练数据中二元类别的分布，最终作为 CTR 预估的值使用。
```python
# conbine DNN and LR submodels
def combine_submodels(dnn, lr):
merge_layer = layer.concat(input=[dnn, lr])
fc = layer.fc(
input=merge_layer,
size=1,
name='output',
# use sigmoid function to approximate ctr rate, a float value between 0 and 1.
act=paddle.activation.Sigmoid())
return fc
```
## 训练任务的定义
```python
dnn = build_dnn_submodel(dnn_layer_dims)
lr = build_lr_submodel()
output = combine_submodels(dnn, lr)
# ==============================================================================
# cost and train period
# ==============================================================================
classification_cost = paddle.layer.multi_binary_label_cross_entropy_cost(
input=output, label=click)
params = paddle.parameters.create(classification_cost)
optimizer = paddle.optimizer.Momentum(momentum=0)
trainer = paddle.trainer.SGD(
cost=classification_cost, parameters=params, update_equation=optimizer)
dataset = AvazuDataset(train_data_path, n_records_as_test=test_set_size)
def event_handler(event):
if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
if event.batch_id % 100 == 0:
logging.warning("Pass %d, Samples %d, Cost %f" % (
event.pass_id, event.batch_id * batch_size, event.cost))
if event.batch_id % 1000 == 0:
result = trainer.test(
reader=paddle.batch(dataset.test, batch_size=1000),
feeding=field_index)
logging.warning("Test %d-%d, Cost %f" % (event.pass_id, event.batch_id,
result.cost))
trainer.train(
reader=paddle.batch(
paddle.reader.shuffle(dataset.train, buf_size=500),
batch_size=batch_size),
feeding=field_index,
event_handler=event_handler,
num_passes=100)
```
# 引用
- [1]
- [2] Mikolov, Tomáš, et al. "Strategies for training large scale neural network language models." Automatic Speech Recognition and Understanding (ASRU), 2011 IEEE Workshop on. IEEE, 2011.
- [3]
- [4] Cheng, Heng-Tze, et al. "Wide & deep learning for recommender systems." Proceedings of the 1st Workshop on Deep Learning for Recommender Systems. ACM, 2016.