[论文笔记]Graph Convolutional Matrix Completion

[keywords]: recommender systems, link prediction, bipartite, graph auto-encoder framework, collaborative filtering

[1. Introduction]

Two main branches of recommender algorithms:

  • content-based recommender systems: use content information of users and items to predict the next purchase of a user or rating of an item.
  • collaborative filtering models: solve the matrix completion by collective interaction data.
matrix completion link prediction on graph
interaction data bipartite graph (between user and item nodes)
observed ratings/purchases links
content information node features
predict ratings predict labeled links

[2. Matrix completion as link prediction on bipartite graphs]

  • M_{N_u\times N_v} Rating matrix
  • N_u : number of users, N_v: number of items
  • M_{ij} either an observed rating or 0 (unobserved)
  • M_{N_u\times N_v}\iff G=(\mathcal{W},\mathcal{E}, \mathcal{R}): undirected bipartite user-item interaction graph
    (\mathcal{W}=\mathcal{U}\cup\mathcal{V})
[2.1 Graph auto-encoders]
  1. A graph encoder model Z=f(X,A)
  2. A pairwise decoder model \check{A}=g(Z)
  • X_{N\times D}: feature matrix
  • A_{N:\times N}: adjacency matrix of a graph
  • Z_{N\times E}: node embedding matrix (E: embedding size)
  • M_r[i][j]=1\iff M[i][j]=r
  • U_{N_u\times E}: users embedding matrix
  • V_{N_v\times E}: items embedding matrix
  • \check{M}: a reconstructed rating matrix

M_{N_u\times N_v}\iff G[X,A]\xrightarrow{\text{ f }}Z\xrightarrow{\text{ g }}\check{A}
M_{N_u\times N_v}\iff G[X, M_1,\cdots,M_R]\xrightarrow{\text{ f }}[U,V]\xrightarrow{\text{ g }}\check{M}
Training: train the graph auto-encoder by minimizing the reconstruction error between the predicted ratings in \check{M} and the observed ground-truth ratings in M. (e.g. root mean square error, cross entropy)

[2.2 Graph convolutional encoder]

Idea: graph convolutional layer performs local operations that only take the first-order neighborhood of a node into account (can be seen as a form of message passing).
\mu_{j\to i,r}=\frac{1}{c_{ij}}W_r x_j
h_i=\sigma[\text{accum}(\sum_{j\in \mathcal{N}_{i,1}}\mu_{j\to i,1},\cdots,\sum_{j\in \mathcal{N}_{i,R}}\mu_{j\to i,R})] (a graph convolutional layer)
u_i=\sigma(Wh_i) (a dense layer)

  • \mu_{j\to i,r}: edge-type sepcific messages from items j to user i
  • c_{ij}: either be |\mathcal{N}_i| (left normalization) or \sqrt{|\mathcal{N}_i ||\mathcal{N}_j|} (symmetric normalization)
  • W_r: edge-type specific parameter matrix
  • x_j: initial feature vector of node j
  • accum(\cdot): an accumulation operation (e.g. stack(\cdot), sum(\cdot))
  • \sigma(\cdot): an element-wise activation function (e.g. ReLU)
  • u_i: final embedding of user node i

Combining side information with interaction data can alleviate performance bottlenecks related to the cold start problem.

Reference
  1. Variantional graph auto-encoders
    Github Implementation

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