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JP7017528B2 - Learning equipment, learning methods and learning programs - Google Patents
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Description

本発明は、データポイゾニングに耐性のある学習装置、学習方法及び学習プログラムに関する。 The present invention relates to learning devices, learning methods and learning programs that are resistant to data poisoning.

教師あり学習に対する脅威の一つとして、訓練データに悪性データを混入するデータポイゾニング攻撃がある。本攻撃への対策としては、TRIMと呼ばれる学習アルゴリズムがある(例えば、非特許文献1参照)。
一般的な教師あり学習では、訓練データから入力と出力との対応関係を表すモデルを学習する際に、最適化問題を解くことで損失関数を最小化するモデルのパラメータを決定する。一方、TRIMでは、データポイゾニングの影響を最小限に抑えるために、悪性データが混入したN個の訓練データのうち正常な訓練データの数をn(<N)として最適化問題を解くことで、モデルのパラメータを決定する。具体的には、TRIMでは、交互最小化法により、訓練データとモデルのパラメータとを交互に最適化することで、N個の訓練データから損失関数を最小化するn個の訓練データを抽出しつつ、同時に損失関数を最小化するモデルのパラメータを決定する。
One of the threats to supervised learning is a data poisoning attack that mixes malicious data into training data. As a countermeasure against this attack, there is a learning algorithm called TRIM (see, for example, Non-Patent Document 1).
In general supervised learning, when learning a model that represents the correspondence between inputs and outputs from training data, the parameters of the model that minimizes the loss function are determined by solving the optimization problem. On the other hand, in TRIM, in order to minimize the influence of data poisoning, the number of normal training data out of N training data mixed with malignant data is set to n (<N) and the optimization problem is solved. Determine the parameters of the model. Specifically, in TRIM, by alternately optimizing the training data and the parameters of the model by the alternate minimization method, n training data that minimize the loss function are extracted from the N training data. At the same time, determine the parameters of the model that minimizes the loss function.

M. Jagielski et al., “Manipulating Machine Learning: Poisoning Attacks and Countermeasures for Regression Learning,” IEEE S&P 2018.M. Jagielski et al. , "Manipulating Machine Learning: Poisoning Attacks and Countermeasures for Regression Learning," IEEE S & P 2018.

行列分解ベースの協調フィルタリングでは、複数のユーザによるアイテムに対する評価行列を訓練データとし、損失関数を最小化するユーザ因子行列とアイテム因子行列とが潜在モデルとして導出される。協調フィルタリングに対するデータポイゾニング攻撃では、攻撃者が正規ユーザを装いながら不正にアイテムを評価することで、評価データに悪性データを混入する。このため、データポイゾニング攻撃への対策として、データ単位ではなく、ユーザ単位で悪性データを排除することが望まれる。 In matrix factorization-based collaborative filtering, the evaluation matrix for items by multiple users is used as training data, and the user factor matrix and item factor matrix that minimize the loss function are derived as latent models. In a data poisoning attack against collaborative filtering, an attacker improperly evaluates an item while pretending to be a legitimate user, thereby mixing malicious data into the evaluation data. Therefore, as a countermeasure against data poisoning attacks, it is desirable to eliminate malicious data on a user-by-user basis rather than on a data-by-data basis.

前述のTRIMを行列分解ベースの協調フィルタリングに応用した場合、まず、n人のユーザを選択し、対応する評価行列を用いて、ユーザ因子行列とアイテム因子行列とを選択する。次いで、選択したユーザ因子行列とアイテム因子行列とを用いて、損失関数を最小化するn人のユーザを選択する。
しかしながら、一部のユーザの評価行列を用いて学習を行った場合、ユーザ因子行列は他のユーザの情報を含まない。また、行列分解の損失関数は、評価行列と、ユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積との差のフロベニウスノルムで表される。したがって、ユーザ因子行列に含まれないユーザの評価データに対する損失度は計算されない。このため、TRIMでは損失関数を最小化するn人のユーザを効率的に求めることはできなかった。
When the above-mentioned TRIM is applied to matrix factorization-based collaborative filtering, first, n users are selected, and a user factor matrix and an item factor matrix are selected using the corresponding evaluation matrix. Then, using the selected user factor matrix and item factor matrix, n users who minimize the loss function are selected.
However, when learning is performed using the evaluation matrix of some users, the user factor matrix does not include the information of other users. Further, the loss function of matrix factorization is expressed by the Frobenius norm of the difference between the evaluation matrix and the product of the user factor matrix and the item factor matrix. Therefore, the degree of loss for user evaluation data not included in the user factor matrix is not calculated. Therefore, in TRIM, it was not possible to efficiently obtain n users who minimize the loss function.

本発明は、行列分解の際に、データポイゾニングの影響を最小限に抑えられる学習装置、学習方法及び学習プログラムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a learning device, a learning method, and a learning program that can minimize the influence of data poisoning during matrix factorization.

本発明に係る学習装置は、評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習装置であって、前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出部と、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出部と、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出部と、を備え、前記第1行列導出部、前記第2行列導出部及び前記第3行列導出部による処理を、前記第2損失関数が収束するまで繰り返し実行する。 The learning device according to the present invention is a learning device based on a matrix decomposition that decomposes an evaluation matrix into a product of a user factor matrix and an item factor matrix, and when the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the evaluation matrix, The first matrix derivation unit for deriving the user factor matrix, the user factor matrix, and the item factor matrix are fixed so as to minimize the first loss function having the user factor matrix and the item factor matrix as parameters. When, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and a second loss function having the item factor matrix as parameters are used. When the second matrix derivation unit for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix and the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed so as to be minimized, the second loss function is minimized. As described above, the second loss function is provided with a third matrix derivation unit for deriving the item factor matrix, and the processing by the first matrix derivation unit, the second matrix derivation unit, and the third matrix derivation unit is performed. Repeat until it converges.

前記第2損失関数は、前記第1損失関数のパラメータのうち、前記評価行列を前記部分評価行列に、前記ユーザ因子行列を前記部分ユーザ因子行列に置き換えたものであってもよい。 The second loss function may be one in which the evaluation matrix is replaced with the partial evaluation matrix and the user factor matrix is replaced with the partial user factor matrix among the parameters of the first loss function.

前記第1損失関数は、前記評価行列と、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列の積との差の2次のフロベニウスノルムであってもよい。 The first loss function may be a quadratic Frobenius norm of the difference between the evaluation matrix and the product of the user factor matrix and the item factor matrix.

本発明に係る学習方法は、評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習方法であって、前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出ステップと、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出ステップと、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出ステップと、を前記第2損失関数が収束するまでコンピュータが繰り返し実行する。 The learning method according to the present invention is a learning method based on a matrix decomposition that decomposes an evaluation matrix into a product of a user factor matrix and an item factor matrix, and when the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the evaluation matrix, The first matrix derivation step for deriving the user factor matrix and the user factor matrix and the item factor matrix are fixed so as to minimize the first loss function with the user factor matrix and the item factor matrix as parameters. When, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and a second loss function having the item factor matrix as parameters are used. When the second matrix derivation step for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix and the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed so as to be minimized, the second loss function is minimized. As described above, the computer repeatedly executes the third matrix derivation step for deriving the item factor matrix until the second loss function converges.

本発明に係る学習プログラムは、評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習プログラムであって、前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出ステップと、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出ステップと、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出ステップと、を前記第2損失関数が収束するまでコンピュータに繰り返し実行させるためのものである。 The learning program according to the present invention is a learning program based on a matrix decomposition that decomposes an evaluation matrix into a product of a user factor matrix and an item factor matrix, and when the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the evaluation matrix, The first matrix derivation step for deriving the user factor matrix and the user factor matrix and the item factor matrix are fixed so as to minimize the first loss function with the user factor matrix and the item factor matrix as parameters. When, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and a second loss function having the item factor matrix as parameters are used. When the second matrix derivation step for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix and the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed so as to be minimized, the second loss function is minimized. As described above, the third matrix derivation step for deriving the item factor matrix is repeatedly executed by the computer until the second loss function converges.

本発明によれば、行列分解の際に、データポイゾニングの影響を最小限に抑えられる。 According to the present invention, the influence of data poisoning can be minimized during matrix factorization.

実施形態に係る学習装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the learning apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係る学習装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the learning apparatus which concerns on embodiment.

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
本実施形態に係る学習方法では、悪性データが混入された評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に行列分解することによる協調フィルタリングにおいて、悪性データの影響を抑制する。
なお、悪性データは、例えば全ユーザ数の20%等、所定の割合の悪性ユーザにより混入されているものと仮定して、この所定の割合の悪性ユーザによる評価データが全体から除去される。
Hereinafter, an example of the embodiment of the present invention will be described.
In the learning method according to the present embodiment, the influence of the malignant data is suppressed in the collaborative filtering by matrix factorizing the evaluation matrix mixed with the malignant data into the product of the user factor matrix and the item factor matrix.
It should be noted that the malignant data is assumed to be mixed by a predetermined ratio of malignant users, for example, 20% of the total number of users, and the evaluation data by the predetermined ratio of malignant users is removed from the whole.

ここで、Mをm人の正規ユーザによるn個のアイテムに対する評価行列とする。Mi,jは、評価行列Mのi番目の行(ユーザ)のj番目の列(アイテム)の評価を示す。ただし、Mは疎な行列であり、評価が未観測な要素を含む。Ωを評価行列Mにおいて評価が観測された要素のインデックス集合とする。RΩ(A)は、行列Aが与えられたとき、(i,j)∈ΩであればAi,jを返し、そうでなければ0を返す関数とする。 Here, M is an evaluation matrix for n items by m regular users. M i and j indicate the evaluation of the j-th column (item) of the i-th row (user) of the evaluation matrix M. However, M is a sparse matrix and includes elements whose evaluation has not been observed. Let Ω be the index set of the elements whose evaluations are observed in the evaluation matrix M. R Ω (A) is a function that returns A i, j if (i, j) ∈ Ω, and 0 otherwise, given the matrix A.

行列分解ベースの協調フィルタリングでは、例えば以下の式(1)又は式(2)に示すような最適化問題を解くことで、2次のフロベニウスノルムを最小化するm行k列のユーザ因子行列U、及びn行k列のアイテム因子行列Vが導出される。ただし、∥A∥は行列Aのフロベニウスノルムを示す。
min(U,V) ∥RΩ(M-UV)∥ ・・・(1)
min(U,V) ∥RΩ(M-UV)∥
+λ{∥U∥ +∥V∥ } ・・・(2)
In matrix factorization-based co-filtering, a user factor matrix U with m rows and k columns that minimizes the quadratic adjugate norm by solving an optimization problem as shown in the following equation (1) or equation (2), for example. , And the item factor matrix V with n rows and k columns is derived. However, ∥A∥F indicates the Frobenius norm of the matrix A.
min (U, V) ∥R Ω (M-UV T ) ∥ F 2 ... (1)
min (U, V) ∥R Ω (M-UV T ) ∥ F 2
+ λ {∥U∥ F2 ∥V∥ F2 } ・ ・ ・ ( 2 )

協調フィルタリングに対するデータポイゾニング攻撃では、攻撃者は、正規ユーザになりますし、攻撃目的に応じて不正にアイテムを評価し、学習システムに対して悪性な評価データを追加する。M’をm’人の悪性ユーザによるn個のアイテムに対する評価行列とする。Mを正規ユーザの評価行列Mに悪性ユーザの評価行列M’を加えた評価行列とする。 In a data poisoning attack against collaborative filtering, the attacker becomes a legitimate user, fraudulently evaluates items according to the purpose of the attack, and adds malicious evaluation data to the learning system. Let M'be the evaluation matrix for n items by m'malignant users. Let M + be an evaluation matrix obtained by adding the evaluation matrix M'of a malicious user to the evaluation matrix M of a regular user.

を、評価行列Mから正規ユーザの想定人数であるm人のユーザの評価データを抽出した評価行列とする。また、Uを、Mに含まれるm人のユーザに対するユーザ因子行列とする。
本実施形態の学習方法では、例えば以下の式(3)に示す最適化問題を解くことで、データポイゾニングの影響を最小限にするパラメータU及びVを導出する。
min(M*,U*,V) ∥RΩ(M-U)∥ ・・・(3)
Let M * be an evaluation matrix obtained by extracting evaluation data of m users, which is an estimated number of regular users, from the evaluation matrix M + . Further, U * is a user factor matrix for m users included in M * .
In the learning method of this embodiment, parameters U * and V that minimize the influence of data poisoning are derived by solving the optimization problem shown in the following equation (3), for example.
min (M *, U *, V) R Ω ( M * -U * VT) ∥ F 2 ... (3)

図1は、本実施形態に係る学習装置1の機能構成を示すブロック図である。
学習装置1は、サーバ装置又はパーソナルコンピュータ等の情報処理装置(コンピュータ)であり、制御部10及び記憶部20の他、各種データの入出力デバイス及び通信デバイス等を備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of the learning device 1 according to the present embodiment.
The learning device 1 is an information processing device (computer) such as a server device or a personal computer, and includes a control unit 10 and a storage unit 20, as well as various data input / output devices and communication devices.

制御部10は、学習装置1の全体を制御する部分であり、記憶部20に記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、本実施形態における各機能を実現する。制御部10は、CPUであってよい。 The control unit 10 is a part that controls the entire learning device 1, and realizes each function in the present embodiment by appropriately reading and executing various programs stored in the storage unit 20. The control unit 10 may be a CPU.

記憶部20は、ハードウェア群を学習装置1として機能させるための各種プログラム、及び各種データ等の記憶領域であり、ROM、RAM、フラッシュメモリ又はハードディスク(HDD)等であってよい。具体的には、記憶部20は、本実施形態の各機能を制御部10に実行させるためのプログラム(学習プログラム)、入力される評価行列、及び処理途中の各種パラメータ(行列)値等を記憶する。 The storage unit 20 is a storage area for various programs and various data for making the hardware group function as the learning device 1, and may be a ROM, RAM, flash memory, hard disk (HDD), or the like. Specifically, the storage unit 20 stores a program (learning program) for causing the control unit 10 to execute each function of the present embodiment, an evaluation matrix to be input, various parameter (matrix) values during processing, and the like. do.

制御部10は、第1行列導出部11と、第2行列導出部12と、第3行列導出部13とを備える。制御部10は、これらの機能部を繰り返し動作させることにより、評価行列Mに対して、悪性ユーザを除いた部分評価行列M及び部分ユーザ因子行列Uと、アイテム因子行列Vとを導出する。 The control unit 10 includes a first matrix derivation unit 11, a second matrix derivation unit 12, and a third matrix derivation unit 13. By repeatedly operating these functional units, the control unit 10 derives the partial evaluation matrix M * excluding the malignant user, the partial user factor matrix U * , and the item factor matrix V with respect to the evaluation matrix M + . do.

第1行列導出部11は、評価行列M及びアイテム因子行列Vを固定したとき、評価行列M、ユーザ因子行列U及びアイテム因子行列Vをパラメータとする第1損失関数(例えば、前述の式(1))を最小化するように、ユーザ因子行列Uを導出する。
なお、アイテム因子行列Vの初期値は、ランダムに決定されてよい。
When the evaluation matrix M + and the item factor matrix V are fixed, the first matrix derivation unit 11 uses the evaluation matrix M + , the user factor matrix U + , and the item factor matrix V as parameters as the first loss function (for example, described above). The user factor matrix U + is derived so as to minimize the equation (1)).
The initial value of the item factor matrix V may be randomly determined.

第2行列導出部12は、ユーザ因子行列U及びアイテム因子行列Vを固定したとき、評価行列Mから所定数(m’)の行を除いた部分評価行列M、及びユーザ因子行列Uから所定数(m’)の行を除いた部分ユーザ因子行列U、及びアイテム因子行列Vをパラメータとする第2損失関数(例えば、前述の式(3))を最小化するように、部分評価行列M及び部分ユーザ因子行列Uを導出する。
なお、第2損失関数は、第1損失関数のパラメータのうち、評価行列Mを部分評価行列Mに、ユーザ因子行列Uを部分ユーザ因子行列Uに置き換えたものであってよい。
When the user factor matrix U + and the item factor matrix V are fixed, the second matrix derivation unit 12 has a partial evaluation matrix M * obtained by removing a predetermined number (m') of rows from the evaluation matrix M + , and a user factor matrix U. To minimize the second loss function (for example, the above equation (3)) with the partial user factor matrix U * excluding the predetermined number (m') rows from + and the item factor matrix V as parameters. A partial evaluation matrix M * and a partial user factor matrix U * are derived.
The second loss function may be one in which the evaluation matrix M + is replaced with the partial evaluation matrix M * and the user factor matrix U + is replaced with the partial user factor matrix U * among the parameters of the first loss function.

第3行列導出部13は、部分評価行列M及び部分ユーザ因子行列Uを固定したとき、第2損失関数を最小化するように、アイテム因子行列Vを導出する。 The third matrix derivation unit 13 derives the item factor matrix V so as to minimize the second loss function when the partial evaluation matrix M * and the partial user factor matrix U * are fixed.

制御部10は、第1行列導出部11、第2行列導出部12及び第3行列導出部13による処理を、第2損失関数が収束するまで繰り返し実行する。 The control unit 10 repeatedly executes the processing by the first matrix derivation unit 11, the second matrix derivation unit 12, and the third matrix derivation unit 13 until the second loss function converges.

図2は、本実施形態に係る学習装置1の処理を示すフローチャートである。
学習装置1は、交互最小化手法を用いて前述の最適化問題を解くことで、UとVとを交互に最適化する。さらに、学習装置1は、Uを最適化する際にも交互最小化手法を用いて、U及び評価行列Mの最適化を同時に行う。
FIG. 2 is a flowchart showing the processing of the learning device 1 according to the present embodiment.
The learning device 1 alternately optimizes U * and V by solving the above-mentioned optimization problem by using the alternate minimization method. Further, the learning device 1 simultaneously optimizes the U * and the evaluation matrix M * by using the alternate minimization method when optimizing the U * .

ステップS1において、制御部10は、アイテム因子行列Vの初期値をランダムに決定する。 In step S1, the control unit 10 randomly determines the initial value of the item factor matrix V.

ステップS2において、制御部10(第1行列導出部11)は、評価行列Mとアイテム因子行列Vとを固定し、第1損失関数∥RΩ(M-U)∥ を最小化するUを選択する。ただし、Uは(m+m’)行k列のユーザ因子行列である。 In step S2, the control unit 10 (first matrix derivation unit 11) fixes the evaluation matrix M + and the item factor matrix V, and the first loss function ∥ R Ω ( M + −U + VT) ∥ F 2 Select U + to minimize. However, U + is a user factor matrix of (m + m') rows and k columns.

ステップS3において、制御部10(第2行列導出部12)は、ユーザ因子行列Uとアイテム因子行列Vとを固定し、第2損失関数∥RΩ(M-U)∥ を最小化する部分評価行列Mと部分ユーザ因子行列Uとを選択する。 In step S3, the control unit 10 (second matrix derivation unit 12) fixes the user factor matrix U + and the item factor matrix V, and the second loss function ∥ R Ω ( M * −U * VT) ∥ F. Select the partial evaluation matrix M * and the partial user factor matrix U * that minimize 2 .

ステップS4において、制御部10(第3行列導出部13)は、部分評価行列Mと部分ユーザ因子行列Uとを固定し、第2損失関数∥RΩ(M-U)∥ を最小化するアイテム因子行列Vを選択する。 In step S4, the control unit 10 (third matrix derivation unit 13) fixes the partial evaluation matrix M * and the partial user factor matrix U * , and the second loss function ∥ R Ω ( M * −U * VT). Select the item factor matrix V that minimizes F 2 .

ステップS5において、制御部10は、第2損失関数∥RΩ(M-U)∥ の値が収束したか否かを判定する。この判定がYESの場合、処理は終了する。一方、判定がNOの場合、処理はステップS2に戻り、制御部10は、ステップS2からステップS4までの処理を第2損失関数∥RΩ(M-U)∥ の値が変化しなくなるまで繰り返す。 In step S5, the control unit 10 determines whether or not the value of the second loss function R Ω ( M * −U * VT) ∥ F2 has converged. If this determination is YES, the process ends. On the other hand, when the determination is NO, the processing returns to step S2, and the control unit 10 performs the processing from step S2 to step S4 with the value of the second loss function R Ω ( M * -U * VT) ∥ F2 . Repeat until does not change.

この処理により第2損失関数∥RΩ(M-U)∥ が収束すると、部分評価行列Mと部分ユーザ因子行列Uが最適化され、元の評価行列Mから悪性と考えられるレコードが除去された部分評価行列Mと、この部分評価行列Mに対応する部分ユーザ因子行列Uが得られる。 When the second loss function R Ω ( M * -U * VT) ∥ F 2 converges by this processing, the partial evaluation matrix M * and the partial user factor matrix U * are optimized, and the original evaluation matrix M + is used. A partial evaluation matrix M * from which records considered to be malignant have been removed and a partial user factor matrix U * corresponding to this partial evaluation matrix M * are obtained.

以上のように、本実施形態によれば、学習装置1は、評価行列を行列分解する際に、まず、全てのユーザに対してユーザ因子行列Uの最適化を行う。次に、学習装置1は、最適化した全てのユーザに対するユーザ因子行列Uを用いて損失関数を最小化するm人のユーザを選択し、部分ユーザ因子行列Uを導出する。続いて、学習装置1は、部分評価行列M及び部分ユーザ因子行列Uを用いてアイテム因子行列Vの最適化を行う。
学習装置1は、交互最小化法に基づくこれら一連の処理を繰り返すことにより、ユーザ因子行列とアイテム因子行列とを最適化すると共に、選択するユーザの最適化を同時に行う。
これにより、学習装置1は、行列分解の際に、データポイゾニングの影響を最小限に抑えられる。この結果、データポイゾニングに耐性のある行列分解ベースの協調フィルタリングが実現される。
As described above, according to the present embodiment, the learning device 1 first optimizes the user factor matrix U + for all users when the evaluation matrix is matrix factorized. Next, the learning device 1 selects m users whose loss function is minimized by using the user factor matrix U + for all the optimized users, and derives the partial user factor matrix U * . Subsequently, the learning device 1 optimizes the item factor matrix V using the partial evaluation matrix M * and the partial user factor matrix U * .
The learning device 1 optimizes the user factor matrix and the item factor matrix by repeating these series of processes based on the alternating minimization method, and simultaneously optimizes the selected user.
As a result, the learning device 1 can minimize the influence of data poisoning during matrix factorization. The result is matrix factorization-based collaborative filtering that is resistant to data poisoning.

また、学習装置1は、第1損失関数と第2損失関数とを共通化することで処理を効率化できる。さらに、共通の損失関数として、評価行列(又は部分評価行列)と、ユーザ因子行列(又は部分ユーザ因子行列)及びアイテム因子行列の積との差の2次のフロベニウスノルムを用いることにより、学習装置1は、既存の行列分解及び協調フィルタリングのアルゴリズムを流用することができる。 Further, the learning device 1 can improve the processing efficiency by sharing the first loss function and the second loss function. Further, as a common loss function, a learning device is used by using a quadratic Frobenius norm of the difference between the evaluation matrix (or partial evaluation matrix) and the product of the user factor matrix (or partial user factor matrix) and the item factor matrix. 1 can use the existing matrix factorization and co-filtering algorithms.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、前述した実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Moreover, the effects described in the above-described embodiments are merely a list of the most suitable effects resulting from the present invention, and the effects according to the present invention are not limited to those described in the embodiments.

学習装置1による学習方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、情報処理装置(コンピュータ)にインストールされる。また、これらのプログラムは、CD-ROMのようなリムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。さらに、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したWebサービスとしてユーザのコンピュータに提供されてもよい。 The learning method by the learning device 1 is realized by software. When realized by software, the programs that make up this software are installed in the information processing device (computer). Further, these programs may be recorded on a removable medium such as a CD-ROM and distributed to the user, or may be distributed by being downloaded to the user's computer via a network. Further, these programs may be provided to the user's computer as a Web service via a network without being downloaded.

1 学習装置
10 制御部
11 第1行列導出部
12 第2行列導出部
13 第3行列導出部
20 記憶部
1 Learning device 10 Control unit 11 1st matrix derivation unit 12 2nd matrix derivation unit 13 3rd matrix derivation unit 20 Storage unit

Claims (5)

評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習装置であって、
前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出部と、
前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出部と、
前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出部と、を備え、
前記第1行列導出部、前記第2行列導出部及び前記第3行列導出部による処理を、前記第2損失関数が収束するまで繰り返し実行する学習装置。
A learning device based on matrix factorization that decomposes an evaluation matrix into a product of a user factor matrix and an item factor matrix.
When the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the first user factor matrix is derived so as to minimize the first loss function having the evaluation matrix, the user factor matrix, and the item factor matrix as parameters. Matrix derivation part and
When the user factor matrix and the item factor matrix are fixed, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and the above. A second matrix derivation unit for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix so as to minimize the second loss function with the item factor matrix as a parameter.
When the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed, a third matrix derivation unit for deriving the item factor matrix is provided so as to minimize the second loss function.
A learning device that repeatedly executes processing by the first matrix derivation unit, the second matrix derivation unit, and the third matrix derivation unit until the second loss function converges.
前記第2損失関数は、前記第1損失関数のパラメータのうち、前記評価行列を前記部分評価行列に、前記ユーザ因子行列を前記部分ユーザ因子行列に置き換えたものである請求項1に記載の学習装置。 The learning according to claim 1, wherein the second loss function is a parameter of the first loss function in which the evaluation matrix is replaced with the partial evaluation matrix and the user factor matrix is replaced with the partial user factor matrix. Device. 前記第1損失関数は、前記評価行列と、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列の積との差の2次のフロベニウスノルムである請求項2に記載の学習装置。 The learning device according to claim 2, wherein the first loss function is a quadratic Frobenius norm of the difference between the evaluation matrix and the product of the user factor matrix and the item factor matrix. 評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習方法であって、
前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出ステップと、
前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出ステップと、
前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出ステップと、
を前記第2損失関数が収束するまでコンピュータが繰り返し実行する学習方法。
It is a learning method based on matrix factorization that decomposes the evaluation matrix into the product of the user factor matrix and the item factor matrix.
When the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the first user factor matrix is derived so as to minimize the first loss function having the evaluation matrix, the user factor matrix, and the item factor matrix as parameters. Matrix derivation step and
When the user factor matrix and the item factor matrix are fixed, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and the above. A second matrix derivation step for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix so as to minimize the second loss function with the item factor matrix as a parameter.
A third matrix derivation step for deriving the item factor matrix so as to minimize the second loss function when the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed.
Is a learning method in which the computer repeatedly executes the above until the second loss function converges.
評価行列をユーザ因子行列及びアイテム因子行列の積に分解する行列分解に基づく学習プログラムであって、
前記評価行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列、前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第1損失関数を最小化するように、前記ユーザ因子行列を導出する第1行列導出ステップと、
前記ユーザ因子行列及び前記アイテム因子行列を固定したとき、前記評価行列から所定数の行を除いた部分評価行列、及び前記ユーザ因子行列から前記所定数の行を除いた部分ユーザ因子行列、及び前記アイテム因子行列をパラメータとする第2損失関数を最小化するように、前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を導出する第2行列導出ステップと、
前記部分評価行列及び前記部分ユーザ因子行列を固定したとき、前記第2損失関数を最小化するように、前記アイテム因子行列を導出する第3行列導出ステップと、
を前記第2損失関数が収束するまでコンピュータに繰り返し実行させるための学習プログラム。
A learning program based on matrix factorization that decomposes an evaluation matrix into a product of a user factor matrix and an item factor matrix.
When the evaluation matrix and the item factor matrix are fixed, the first user factor matrix is derived so as to minimize the first loss function having the evaluation matrix, the user factor matrix, and the item factor matrix as parameters. Matrix derivation step and
When the user factor matrix and the item factor matrix are fixed, a partial evaluation matrix obtained by removing a predetermined number of rows from the evaluation matrix, a partial user factor matrix obtained by removing the predetermined number of rows from the user factor matrix, and the above. A second matrix derivation step for deriving the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix so as to minimize the second loss function with the item factor matrix as a parameter.
A third matrix derivation step for deriving the item factor matrix so as to minimize the second loss function when the partial evaluation matrix and the partial user factor matrix are fixed.
Is a learning program for causing a computer to repeatedly execute the process until the second loss function converges.
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