搜索排序算法

排序模型LTR（L2R，learning to rank）

• Pointwise：对排序列表中的每一项，直接学习一个值，比如可以是预估点击率（Predict CTR，pCTR），然后按照预估值从大到小排序即可。常见模型有LR、FFM、GBDT、XGBoost。GBDT是LTR中应用较多的非线性模型。Additive Groves(简称AG)是在随机森林基础上构建的模型，加入Bagging算法，使得模型的泛化能力更强。AG由很多Grove 组合（bagging）而成，每一个Grove由多棵树组成，在训练时每棵树的拟合目标是真实值与其它树预测结果之和的残差。在训练的过程中达到了指定数目的树时，重新训练的树会替代掉以前的树。谷歌提出的FTRL方法能够在线对线性模型进行更新。
• Pairwise：两两学习两个项的先后关系。常见模型有GBRank、RankNet、LambdaMart、RankSVM。LambdaMart是Lambda和MART（Multiple Additive Regression Tree，GBDT的别名）的结合，是GBDT的一种针对排序问题的改进。在计算梯度时LambdaMart重新计算了Lambda，重新赋予了排序梯度的物理意义，它利用sigmoid来计算各pair的排序概率，使用交叉熵作为损失函数来判断拟合程度，并将排序离线指标（如MAP、NDCG）考虑到梯度中去。
• Listwise：将列表的最佳排序当作最终的优化目标，通过预测分布和真实排序分布的差距来优化模型，典型的模型如ListNet。引入规范化带折扣的累计收益（Normalized Discounted Cumulative Gain，NDCG）作为衡量列表排序质量的指标，以保证排序效果达到列表级别的最优。

Pairwise模型是指所有文档两两组成一个pair，比如(X1,X2),如果X1的分值大于X2则将该pair当作正例+1，否则为负例-1. Pairwise的效果通常好于Pointwise（学术界是如此，工业界也越来越多用Pairwise了）。

下面介绍几个排序经典模型：

RankSVM

RankSVM是配对法排序学习（Pairwise）的经典模型，通过SVM对query-doc pair进行打分和排序。RankSVM的输入特征维query-doc pair的特征差值，即 (X_1-X_2)，标签为相对顺序（+1，-1）.

GBRank

GBRank由雅虎的员工提出。基本学习器是梯度提升器（Gradient Boosting Machine，GBM）。对于所有的x>y的N个偏序对的训练样本，其损失函数可定义为：

[L_1=sum_{i=1}^N max(0,h(y_i)-h(x_i)) \ || \ L_2={1over 2}sum_{i=1}^N (max(0,h(y_i)-h(x_i)))^2 ]

在使用梯度下降求解时，第m次迭代更新h：(h(y_i^m)=h_{m-1}(y_i)- ho_m imes{partial L_2^{m-1}over partial y_i}).只有当偏序预测错误时才进行更新，此时有(h(y_i^m)=h(x_i^{m-1}); h(x_i^m)=h(y_i^{m-1})).在偏序学习正确时还需要保证学习的更健壮，因此需要让差值足够大，损失函数修改如下：

[L_3={1over 2}sum_{i=1}^N (max(0, au+h(y_i)-h(x_i)))^2 ]

这样在偏序学错后，更新：(h(y_i^m)=h(x_i^{m-1})- au; h(x_i^m)=h(y_i^{m-1})+ au).

GBRank对所有GBM采用了归一化处理：(h_m(x)={mh_{m-1}(x)+eta g_m(x)over m+1})，其中(eta)为收缩率。

RankNet

RankNet由微软的博格斯提出（ICML2005），比GBRank更早的提出观点：偏序学习可以避免建模过程中将每条样本映射为确切的排序值，而只需学习排序先后的偏序关系即可。RankNet通过神经网络来学习先后偏序的概率。设学习的目标概率是(ar P_{xy})，当x排序在y之前（x>y）时，(ar P_{xy}=1),反之为0，不能确定偏序关系时值为0.5. 设输入x，y对应的输出值分别为(f(x),f(y),O_{xy}=f(x)-f(y)),偏序预测值为( ext{sigmoid}(O_{xy})={1over 1+e^{-O_{xy}}}). 损失函数定义为交叉熵损失（对数几率损失）：

[egin{align} L_{xy}&=-ar P_{xy}log P_{xy}-(1-ar P_{xy})log(1-P_{xy}) \ &=-ar P_{xy}[O_{xy}-log(1+e^{O_{xy}})]+(1-ar P_{xy})log(1+O_{xy}) \ &=-ar P_{xy}O_{xy}+log(1+e^{O_{xy}}) end{align} ]

由于pair的偏序概率具有传递性，因此RankNet可以是O(n)的复杂度。由于RankNet以减少错误pair为优化目标，因此对NDCG（关心相关文档所在的位置）等指标衡量的效果不是太好（同样的RankSVM、GBDT等排序模型亦是如此）。后续的改进模型包括LambdaRank、LambdaMart。

开源代码实现：Ranklib包含了多种算法实现。

LambdaMART

这是微软在 Bing 中使用了较长时间的模型，也在L2R这个领域享有盛誉。博格斯的团队意识到 RankNet 并不能直接优化搜索的评价指标（NDCG 或者 MAP 等）之后提出了 LambdaRank，使用NDCG的变化量对模型参数进行优化。随后把
LambdaRank 和 GBDT 的思想结合起来，提出了更强的 LambdaMART。
Lambda 是被定义为两个文档 NDCG 的变化量（实际上用这个变化量乘以对数几率损失的梯度）。Lambda梯度更关注位置靠前的优质文档的排序位置的提升，有效的避免了下调位置靠前优质文档的位置这种情况的发生。

Learning to rank 评价指标

Precision and Recall(P-R)

P-R的有两个明显缺点：

• 所有文章只被分为相关和不相关两档，分类显然太粗糙。
• 没有考虑位置因素。

Discounted Cumulative Gain(DCG)

DCG解决了 P-R 的这两个问题。对于一个关键词，所有的文档可以分为多个相关性级别，这里以(rel_1，rel_2,...)来表示。文章相关性对整个列表评价指标的贡献随着位置的增加而对数衰减，位置越靠后，衰减越严重。

NDCG 这个指标的假设是，在一个排序结果里，相关信息要比不相关信息排得更高，而最相关信息需要排在最上面，最不相关信息排在最下面。任何排序结果一旦偏离了这样的假设，就会受到“扣分”或者说是“惩罚”。NDCG 是针对测试集的一个排序评价指标。

NDCG 是考虑到评分的排序，说到NDCG就需要从CG开始说起。CG（cumulative gain，累计增益）可以用于评价基于打分/评分的个性推荐系统。假设我们推荐k个物品，这个推荐列表的CGk计算公式如下：

[CG_k=sum_{i=1}^k ext{rel}_i ]

( ext{rel}_i) 表示第k个物品的相关性或者评分。假设我们共推荐k个电影，( ext{rel}_i) 可以是用户对第i部电影的评分。

比如豆瓣给用户推荐了五部电影： M1,M2,M3,M4,M5

该用户对这五部电影的评分分别是：5, 3, 2, 1, 2

那么这个推荐列表的CG等于
CG5=5+3+2+1+2=13.
CG没有考虑推荐的次序，在此基础之后我们引入对物品顺序的考虑，就有了DCG(discounted CG)，折扣累积增益。公式如下：

[DCG_k=sum_{i=1}^k frac{2^{ ext{rel}_i}-1}{log_2(i+1)} ]

那么这个推荐列表的DCG等于

[DCG_5=frac{2^5-1}{log_2 2}+frac{2^3-1}{log_2 3}+frac{2^2-1}{log_2 4}+frac{2^1-1}{log_2 5}+frac{2^2-1}{log_2 6}=31+4.4+1.5+0.4+1.2=38.5 ]

对于排序引擎而言，不同请求的结果列表长度往往不相同。当比较不同排序引擎的综合排序性能时，不同长度请求之间的DCG指标的可比性不高。DCG没有考虑到推荐列表和每个检索中真正有效结果个数，目前在工业界常用的是Normalized DCG(NDCG)，它假定能够获取到某个请求的前p个位置的完美排序列表，这个完美列表的分值称为Ideal DCG(IDCG)，NDCG等于DCG与IDCG比值。所以NDCG是一个在0到1之间的值。

完美结果下的DCG，即IDCG的定义如下：

[ ext{IDCG}_p=sum_{i=1}^{|REL|}{2^{rel_i}-1 over log_2(i+1)} ]

|REL|代表按照相关性排序好的最多到位置p的结果列表。

[NDCG_k=frac{DCG_k}{IDCG_k} ]

继续上面的例子，如果相关电影一共有7部：M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7
该用户对这七部电影的评分分别是：5, 3, 2, 1, 2 , 4, 0

把这7部电影按评分排序：5, 4, 3, 2, 2, 1, 0

这个情况下的完美DCG是

[IDCG_5=frac{2^5-1}{log_2 2}+frac{2^4-1}{log_2 3}+frac{2^3-1}{log_2 4}+frac{2^2-1}{log_2 5}+frac{2^2-1}{log_2 6}=31+9.5+3.5+1.3+1.2=46.5 ]

所以, (NDCG_5 = frac{DCG_5}{IDCG_5}=frac{38.5}{46.5}=0.827)
NDCG是0到1的数，越接近1说明推荐越准确。

参考： http://sofasofa.io/forum_main_post.php?postid=1002561

Expected Reciprocal Rank(ERR)

与DCG相比，除了考虑位置衰减和允许多种相关级别（以R1，R2，R3...来表示）以外，ERR更进了一步，还考虑了排在文档之前所有文档的相关性。举个例子来说，文档A非常相关，排在第5位。如果排在前面的4个文档相关度都不高，那么文档A对列表的贡献就很大。反过来，如果前面4个文档相关度很大，已经完全解决了用户的搜索需求，用户根本就不会点击第5个位置的文档，那么文档A对列表的贡献就不大。
ERR的定义如下：

[ERR=sum_{r=1}^n{1over r}prod_{i=1}^{r-1}(1-R_i)R_r ]