18 Wide&Deep：怎样让你的模型既有想象力又有记忆力？
你好，我是王喆。
今天，我们来学习一个在业界有着巨大影响力的推荐模型，Google的Wide&Deep。可以说，只要掌握了Wide&Deep，我们就抓住了深度推荐模型这几年发展的一个主要方向。那Wide&Deep模型是什么意思呢？我们把它翻译成中文就是“宽并且深的模型”。
这个名字看起来好像很通俗易懂，但你真的理解其中“宽”和“深”的含义吗？上一节课我们讲过Embedding+MLP的经典结构，因为MLP可以有多层神经网络的结构，所以它是一个比较“深”的模型，但Wide&Deep这个模型说的“深”和MLP是同样的意思吗？“宽”的部分又是什么样的呢？宽和深分别有什么不同的作用呢？以及我们为什么要把它们结合在一起形成一个模型呢？
这节课，就让我们就带着这诸多疑问，从模型的结构开始学起，再深入到Wide&Deep在Google的应用细节中去，最后亲自动手实现这个模型。
Wide&Deep模型的结构
首先，我们来看看Wide&Deep模型的结构，理解了结构再深入去学习细节，我们才能掌握得更好。
上图就是Wide&Deep模型的结构图了，它是由左侧的Wide部分和右侧的Deep部分组成的。Wide部分的结构太简单了，就是把输入层直接连接到输出层，中间没有做任何处理。Deep层的结构稍复杂，但我相信你也不会陌生，因为它就是我们上节课学习的Embedding+MLP的模型结构。
知道了Wide&Deep模型的结构之后，我们先来解决第一个问题，那就是Google为什么要创造这样一个混合式的模型结构呢？这我们还得从Wide部分和Deep部分的不同作用说起。
简单来说，Wide部分的主要作用是让模型具有较强的“记忆能力”（Memorization），而Deep部分的主要作用是让模型具有“泛化能力”（Generalization），因为只有这样的结构特点，才能让模型兼具逻辑回归和深度神经网络的优点，也就是既能快速处理和记忆大量历史行为特征，又具有强大的表达能力，这就是Google提出这个模型的动机。
那么问题又来了，所谓的“记忆能力”和“泛化能力”到底指什么呢？这我们就得好好聊一聊了，因为理解这两种能力是彻底理解Wide&Deep模型的关键。
模型的记忆能力
所谓的 “记忆能力”，可以被宽泛地理解为模型直接学习历史数据中物品或者特征的“共现频率”，并且把它们直接作为推荐依据的能力 。 就像我们在电影推荐中可以发现一系列的规则，比如，看了A电影的用户经常喜欢看电影B，这种“因为A所以B”式的规则，非常直接也非常有价值。
但这类规则有两个特点：一是数量非常多，一个“记性不好”的推荐模型很难把它们都记住；二是没办法推而广之，因为这类规则非常具体，没办法或者说也没必要跟其他特征做进一步的组合。就像看了电影A的用户80%都喜欢看电影B，这个特征已经非常强了，我们就没必要把它跟其他特征再组合在一起。
现在，我们就可以回答开头的问题了，为什么模型要有Wide部分？就是因为Wide部分可以增强模型的记忆能力，让模型记住大量的直接且重要的规则，这正是单层的线性模型所擅长的。
模型的泛化能力
接下来，我们来谈谈模型的“泛化能力”。“泛化能力”指的是模型对于新鲜样本、以及从未出现过的特征组合的预测能力。 这怎么理解呢？我们还是来看一个例子。假设，我们知道25岁的男性用户喜欢看电影A，35岁的女性用户也喜欢看电影A。如果我们想让一个只有记忆能力的模型回答，“35岁的男性喜不喜欢看电影A”这样的问题，这个模型就会“说”，我从来没学过这样的知识啊，没法回答你。
这就体现出泛化能力的重要性了。模型有了很强的泛化能力之后，才能够对一些非常稀疏的，甚至从未出现过的情况作出尽量“靠谱”的预测。
回到刚才的例子，有泛化能力的模型回答“35岁的男性喜不喜欢看电影A”这个问题，它思考的逻辑可能是这样的：从第一条知识，“25岁的男性用户喜欢看电影A“中，我们可以学到男性用户是喜欢看电影A的。从第二条知识，“35岁的女性用户也喜欢看电影A”中，我们可以学到35岁的用户是喜欢看电影A的。那在没有其他知识的前提下，35岁的男性同时包含了合适的年龄和性别这两个特征，所以他大概率也是喜欢电影A的。这就是模型的泛化能力。
事实上，我们学过的矩阵分解算法，就是为了解决协同过滤“泛化能力”不强而诞生的。因为协同过滤只会“死板”地使用用户的原始行为特征，而矩阵分解因为生成了用户和物品的隐向量，所以就可以计算任意两个用户和物品之间的相似度了。这就是泛化能力强的另一个例子。
从上节课中我们学过深度学习模型有很强的数据拟合能力，在多层神经网络之中，特征可以得到充分的交叉，让模型学习到新的知识。因此，Wide&Deep模型的Deep部分，就沿用了上节课介绍的Embedding+MLP的模型结构，来增强模型的泛化能力。
好，清楚了记忆能力和泛化能力是什么之后，让我们再回到Wide&Deep模型提出时的业务场景上，去理解Wide&Deep模型是怎么综合性地学习到记忆能力和泛化能力的。
Wide&Deep模型的应用场景
Wide&Deep模型是由Google的应用商店团队Google Play提出的，在Google Play为用户推荐APP这样的应用场景下，Wide&Deep模型的推荐目标就显而易见了，就是应该尽量推荐那些用户可能喜欢，愿意安装的应用。那具体到Wide&Deep模型中，Google Play团队是如何为Wide部分和Deep部分挑选特征的呢？下面，我们就一起来看看。
我们先来看看图2，它补充了Google Play Wide&Deep模型的细节，让我们可以清楚地看到各部分用到的特征是什么。我们先从右边Wide部分的特征看起。这部分很简单，只利用了两个特征的交叉，这两个特征是“已安装应用”和“当前曝光应用”。这样一来，Wide部分想学到的知识就非常直观啦，就是希望记忆好“如果A所以B”这样的简单规则。在Google Play的场景下，就是希望记住“如果用户已经安装了应用A，是否会安装B”这样的规则。
接着，我们再来看看左边的Deep部分，它就是一个非常典型的Embedding+MLP结构了。我们看到其中的输入特征很多，有用户年龄、属性特征、设备类型，还有已安装应用的Embedding等等。我们把这些特征一股脑地放进多层神经网络里面去学习之后，它们互相之间会发生多重的交叉组合，这最终会让模型具备很强的泛化能力。
比如说，我们把用户年龄、人口属性和已安装应用组合起来。假设，样本中有25岁男性安装抖音的记录，也有35岁女性安装抖音的记录，那我们该怎么预测25岁女性安装抖音的概率呢？这就需要用到已有特征的交叉来实现了。虽然我们没有25岁女性安装抖音的样本，但模型也能通过对已有知识的泛化，经过多层神经网络的学习，来推测出这个概率。
总的来说，Wide&Deep通过组合Wide部分的线性模型和Deep部分的深度网络，取各自所长，就能得到一个综合能力更强的组合模型。
Wide&Deep模型的TensorFlow实现
在理解了Wide&Deep模型的原理和技术细节之后，就又到了“show me the code”的环节了。接下来，我们就动手在Sparrow Recsys上实现Wide&Deep模型吧！
通过上节课的实战，我相信你已经熟悉了TensorFlow的大部分操作，也清楚了载入训练数据，创建TensorFlow所需的Feature column的方法。因此，Wide&Deep模型的实践过程中，我们会重点关注定义模型的部分。
这里，我们也会像上节课一样，继续使用TensorFlow的Keras接口来构建Wide&Deep模型。具体的代码如下：
# wide and deep model architecture
# deep part for all input features
deep = tf.keras.layers.DenseFeatures(numerical_columns + categorical_columns)(inputs)
deep = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu')(deep)
deep = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu')(deep)
# wide part for cross feature
wide = tf.keras.layers.DenseFeatures(crossed_feature)(inputs)
both = tf.keras.layers.concatenate([deep, wide])
output_layer = tf.keras.layers.Dense(1, activation='sigmoid')(both)
model = tf.keras.Model(inputs, output_layer)
从代码中我们可以看到，在创建模型的时候，我们依次配置了模型的Deep部分和Wide部分。我们先来看Deep部分，它是输入层加两层128维隐层的结构，它的输入是类别型Embedding向量和数值型特征，实际上这跟上节课Embedding+MLP模型所用的特征是一样的。
Wide部分其实不需要有什么特殊操作，我们直接把输入特征连接到了输出层就可以了。但是，这里我们要重点关注一下Wide部分所用的特征crossed_feature。
movie_feature = tf.feature_column.categorical_column_with_identity(key='movieId', num_buckets=1001)
rated_movie_feature = tf.feature_column.categorical_column_with_identity(key='userRatedMovie1', num_buckets=1001)
crossed_feature = tf.feature_column.crossed_column([movie_feature, rated_movie_feature], 10000)
在生成crossed_feature的过程中，我其实仿照了Google Play的应用方式，生成了一个由“用户已好评电影”和“当前评价电影”组成的一个交叉特征，就是代码中的crossed_feature，设置这个特征的目的在于让模型记住好评电影之间的相关规则，更具体点来说就是，就是让模型记住“一个喜欢电影A的用户，也会喜欢电影B”这样的规则。
当然，这样的规则不是唯一的，需要你根据自己的业务特点来设计， 比如在电商网站中，这样的规则可以是，购买了键盘的用户也会购买鼠标。在新闻网站中，可以是打开过足球新闻的用户，也会点击NBA新闻等等。
在Deep部分和Wide部分都构建完后，我们要使用 concatenate layer 把两部分连接起来，形成一个完整的特征向量，输入到最终的sigmoid神经元中，产生推荐分数。
总的来说，在我们上一节的Embedding MLP模型基础上实现Wide&Deep是非常方便的，Deep部分基本没有变化，我们只需要加上Wide部分的特征和设置就可以了。Wide&Deep的全部相关代码，我都实现在了Sparrow Recsys的WideNDeep.py文件中，你可以直接参考源代码。但我更希望，你能尝试设置不同的特征，以及不同的参数组合，来真实地体验一下深度学习模型的调参过程。
小结
这节课，我们一起实现了业界影响力非常大的深度学习模型Wide&Deep，它是由Wide部分和Deep部分组成的。其中，Wide部分主要是为了增强模型的“记忆能力”，让模型记住“如果A，那么B”这样的简单但数量非常多的规则。Deep部分是为了增强模型的“泛化能力”，让模型具备对于稀缺样本、以及从未出现过的特征组合的预测能力。Wide&Deep正是通过这样取长补短的方式，让模型的综合能力提升。
在具体实践的时候，我们继续使用TensorFlow的Keras接口实现了Wide&Deep模型。相比上节课Embedding MLP模型的实现，我们新加入了“用户已好评电影”和“当前评价电影”组成的交叉特征crossed_feature，让Wide部分学习“一个喜欢电影A的用户，也会喜欢电影B”这样的规则。
好了，这就是我们这节课的主要内容，同样，我也把重要的知识点总结在了表格里，你可以利用它来巩固复习。
课后思考
对于Deep部分来说，你觉得我们一股脑地把所有特征都扔进MLP中去训练，这样的方式有没有什么改进的空间？比如说，“用户喜欢的电影风格”和“电影本身的风格”这两个特征，我们能不能进一步挖掘出它们之间的相关性，而不是简单粗暴地扔给神经网络去处理呢？
欢迎把你的思考和疑问写在留言区，如果的你朋友也正在为Wide&Deep模型的实现而困扰，欢迎你把这节课转发给他，我们下节课见！
- giraffa126 👍（45） 💬（3）
冒昧问一下，deep的输出是128，wide是10000，两个不在一个量纲，感觉直接这么concate，会不会削弱deep的效果，模型退化成LR？
2020-12-19 - Alan 👍（30） 💬（1）
答：改进空间大致上我能想到两种方式：我选2 1、手动人工两个特征交叉或求解相关性（即，电影风格类型较低情况下，数据维度较低、数据量较小情况下是可以的，但是在实际工业应用领域是不切实际的）， 2、改进算法的wide部分，提升记忆能力，使用端到端模型，减少人工操作。例如DCNMix、DeepFM。以DeepFM这个模型都可以很好学习到高低特征与交叉。（实际业界常用，推荐） 普及一下高低阶特征知识： 低阶特征：是指线性-线性组合，只能算一个有效的线性组合，线性-非线性-线性，这样算两个有效的线性组合，一般常说的低阶特征只有小于等于2阶； 高阶特征：说高阶特征，可以理解为经过多次线性-非线性组合操作之后形成的特征，为高度抽象特征，一般人脑很难解析出原有的特征了
2021-03-18 - 范闲 👍（19） 💬（1）
电影本身风格和用户倾向风格可以做个融合~~用户偏离本身风格的程度~~
2020-12-02 - 那时刻 👍（16） 💬（2）
请问老师，文中例子中把类别型特征放入到wide里，如果把数值型特征放到wide部分，是否需要做normalization呢？
2020-11-20 - 马龙流 👍（14） 💬（1）
用户喜欢的风格和电影本身自己的风格，做attention做为一个值喂给mlp，这种做法是否可以
2020-11-25 - 骚动 👍（5） 💬（3）
请问老师，我觉得Wide&Deep和GBDT+LR在逻辑上很像，Wide对应LR，Deep对应GBDT，不知道我的想法对不对？这两个模型对比，老师能给我讲下吗，有什么共性？另外，GBDT+LR中输入LR的数据，也是原始特征+GBDT训练的特征，是否可以理解为原始特征就是模型的记忆能力，GBDT训练的组合特征就是泛化能力？
2021-01-16 - Geek_b027e7 👍（5） 💬（2）
老师，deepfm中crossed_column是不是只写了一个好评电影的交叉例子，按文中意思是把所有好评过的历史电影与所有电影做交叉
2020-12-06 - 江峰 👍（4） 💬（2）
在工业界应用wide deep模型的时候，wide侧和deep侧分别应该放什么样的特征呢？ 我在实践过程中都是把 原始id特征放到deep侧，把id类别大的，和其他id特征的交叉放在wide侧。比如adid和分词交叉，memberid和分词交叉等。这样处理合适吗？ 把这种交叉特征同时放在wide侧和deep侧，是不是会更好？
2021-02-24 - 王继伟 👍（4） 💬（1）
请问老师，文中说Wide 部分就是把输入层直接连接到输出层。 1、如果输入层特征特别稀疏（上千万维的one_hot）这样即使是直接连接到输出层也会增加上千万个参数，这样会降低模型训练速度吗？ 2、如果Wide 部分输入的稀疏特征维度上亿，那wide部分的训练的参数会比deep部分训练的参数还要多，这样合理吗？ 还是说wide部分的输入是要控制特征维度的？
2021-02-13 - Jacky 👍（4） 💬（8）
老师，您好！我想咨询一下，我在pycharm里运行py文件的时候，出现了cast string to int32 is not supported的问题，想咨询一下如何修改代码。谢谢您！感谢！
2021-01-21 - 浣熊当家 👍（4） 💬（1）
图二模型中Relu层从下到上分别是1024， 512， 256， 很好奇这些数字的设定有什么讲究吗？ 比如1）是不是设置成这种2进制相关的数字比较有效率？ 2）神经网络的维度一般都是往上每层除2这种规则吗？
2020-11-25 - 石忠会 👍（2） 💬（1）
老师，我看代码里面的优化器只给出了Adam 但是在在tf单独给接口或者理论中不是宽度模型使用FTRL进行优化，深度模型用 adgrad 或者Adam进行优化 这其中有什么深意吗
2021-07-26 - hurun 👍（2） 💬（1）
王老师好，你在代码注释详细，个人学完后收获良多，感谢你的付出。 我参考代码和你的讲解文档，对crossed_feature特征的生成及其在训练集、测试集的使用，有一点小小的疑惑：在代码WideNDeep.py的72行，使用了userRatedMovie1特征，我查看trainingSamples.csv和testSamples.csv，发现训练集的userRatedMovie特征movie_id，出现在测试集movie_id列，这样会不会有future feature问题呢，比如训练集中(user_id, movie_id, userRatedMovie1) =(3033, 970, 969) 出现在训练集(user_id, movie_id, userRatedMovie1) =(3033, 969, 288) ，相当于在训练集中提前告诉模型，对于3033这个用户，969是高质量评价的电影
2021-02-02 - Sebastian 👍（2） 💬（2）
可以在deep网络中加入attention机制，比如用户行为序列作为特征时，近期的行为一般比远期行为更加能反映user的兴趣，这种时候可以对行为序列做attention处理。
2020-11-20 - 续费专用 👍（1） 💬（3）
我就是想问问，25 岁的男性用户喜欢看电影 A，35 岁的女性用户也喜欢看电影 A，那么按照常识，这部电影A大概是部什么样的电影呢？🤔
2021-02-20