WWW 2025 中南、微软提出端到端双重动态推荐模型,释放LLM在序列推荐中的潜力

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 殷珺

单位 | 中南大学硕士研究生

研究方向 | 大语言模型、推荐系统

论文题目:

Unleash LLMs Potential for Sequential Recommendation by Coordinating Dual Dynamic Index Mechanism

论文链接:

https://openreview.net/pdf?id=GE71TxvTH3

代码链接:

https://github.com/Esperanto-mega/ED2

论文录用:

The ACM Web Conference Research Track 2025 (Oral)

摘要
由于大型语言模型(Large Language Models,LLMs)在语义理解和逻辑推理方面表现出前所未有的能力,它们在下一代序列推荐系统(Recommender Systems,RSs)的开发中展现出了巨大的潜力。

然而,现有的基于 LLM 的序列推荐系统大多将索引生成与序列推荐分离,这导致语义信息与协同信息的融合不够充分。此外,对用户相关信息的忽视限制了基于 LLM 的序列推荐系统对高阶用户-物品交互模式的挖掘。

为了解决上述问题,我们提出了端到端双重动态(End-to-End Dual Dynamic, ED2)推荐模型,这是首个采用双重动态索引机制的基于 LLM 的序列推荐系统。该机制不仅能够将索引生成和序列推荐整合到统一的 LLM 主干流程中,还使得基于 LLM 的序列推荐系统能够有效利用用户相关信息。

具体而言,为了提升 LLM 对双重动态索引的理解能力,我们提出了一种多粒度 Token 调节器,该调节器基于 LLMs 的语义知识,在多个表示粒度上构建对齐监督。此外,我们特别设计了用户集合数据及一系列新颖的指令微调任务,以捕捉高阶用户-物品交互模式。

在三个公开数据集上的广泛实验表明,ED2 的性能优越,在命中率(Hit-Rate)上平均提升 19.62%,在归一化折损累计增益(NDCG)上平均提升 21.11%。

动机

尽管取得了显著成就,当前基于 LLM 的序列推荐系统仍然面临以下局限:

(i)静态索引机制限制了 LLM 对语义信息和协同信息的融合。如图 1b 所示,现有的基于 LLM 的序列推荐系统大多采用静态索引机制,将索引生成过程与序列推荐过程分离。

在推荐系统优化过程中,静态索引保持不变,因此无法考虑物品之间的协同相似性。例如,电影《变形金刚》(2007年7月3日)与教学视频《Transformer详细讲解》(2021年10月28日)在文本内容上高度相似,但在用户交互记录中的重叠度却极低。 

(ii)忽视用户相关信息,限制了 LLM 对高阶用户-物品交互模式的挖掘。如图 1b 所示,大多数主流的基于 LLM 的序列推荐系统(如 FDSA、TIGER 和 LC-Rec)仅依赖物品相关信息(即物品文本内容和交互物品序列)进行下一个物品的预测,而不考虑用户相关信息。这使得基于 LLM 的序列推荐系统难以捕捉和利用高阶用户-物品交互模式。

在传统的序列推荐系统中,高阶用户-物品交互模式至关重要,并对推荐结果有着巨大贡献。例如,用户共同购买模式(co-purchase pattern)能够识别出具有相似兴趣的用户,而用户偏好模式(user preference pattern)则反映了用户在长时间跨度上的一致性喜好。

方法

3.1 端到端双重动态语义推荐系统
端到端双重动态(ED2)推荐模型由共享的 LLM 主干网络和双重动态索引生成器组成。共享的 LLM 主干网络负责理解用户/物品的文本特征,并推理序列推荐结果。双重动态索引生成器能够将 LLM 主干网络提供的用户/物品表示量化为离散索引。

具体而言,语义信息首先在 LLM 主干网络的帮助下从文本内容中提取,然后通过双重动态索引生成器压缩为紧凑的索引,最终通过面向序列推荐的微调与协同信息融合。

3.1.1 语义信息提取

为了充分利用与用户和物品相关的语义信息,我们基于它们的文本特征初始化用户/物品表示。

对于每个用户 及其交互序列 ,我们查找并组织对应的文本特征,形成集合 。在 LLM 主干网络的文本编码器 中,LLM 的分词器(Tokenizer)首先将文本内容转换为标记索引(token indices),然后标记嵌入层(token embedding layer)将标记索引投影为标记嵌入(token embeddings)。
最终,LLM 基于其内在的语义知识,将标记嵌入转换为语义表示。语义信息提取过程可以表示为:

其中,d 表示 LLM 的隐藏层特征维度。
3.1.2 双重动态语义索引生成
基于 LLM 主干网络文本编码器提取的语义表示,双重动态索引生成器将其中的语义信息压缩为离散索引。由于双重动态索引的离散性,下游的 LLM 主干推荐器能够直接生成推荐结果的索引,从而充分激发 LLM 主干的自然语言生成能力。

通常,每个用户/物品都与一个唯一标识符(如 <user_9974>、<item_161>)相关联。一种朴素的策略是将所有唯一标识符直接添加到 LLM 词表中,但这种方法会导致词表大小随用户和物品数量线性增长。

借鉴序列量化(sequential quantization)技术,我们在设计双重动态索引生成器式采用了分层架构,通过 M 个索引标记(每个标记有 N 种可能取值)的组合来表示每个用户、物品。

例如,如图 2 中双重动态索引生成阶段所示,物品 <item_5175> 可表示为 =<a2,b4,c5,d7>,其中 M=4,N=8。在该分层索引机制下,表达空间随索引长度 M 指数级增长。

一个长度为 M 基数为 N 的分层索引理论上可以表示 个不同的对象,而新引入的索引标记总数仅为 N×M。以物品 为例,量化过程将以残差方式执行 M 次,其数学表达如下:
最终,物品 的语义索引可表示为: .

3.1.3 生成式序列推荐

为了让 LLM 主干网络理解序列推荐任务,我们通过自然语言指令将双重动态索引与用户交互序列进行聚合。具体而言,交互序列中的原始用户索引 和物品索引 被替换为相应的双重动态索引。由此,交互记录被重组为一个由自然语言 Token 和双重动态索引 Token 组成的异构序列。在我们的实现中,一条异构自然语言指令的示例如下:

“You are an expert in sequential recommendation. Based on the historical interaction sequence: , could you please predict the most suitable item for user ?”

记异构自然语言指令为 ,LLM 主干网络首先将自然语言指令 转换为隐藏表示 。然后,在 LLM 主干网络的基础上附加一个扩展的语言模型头,用于将隐藏状态 投影到索引标记词表,表示如下,
其中, 是推荐结果的索引表示。若有需要,可以通过逆查找操作(inverse look-up)将索引转换回原始物品 ID。基于异构指令提示的序列推荐任务可以自然地转化为语言生成任务,其优化目标定义为负对数似然(Negative Log-Likelihood, NLL),具体如下:

其中,F 是由 LLM 主干网络与扩展的语言模型头组成的整体模型,B 表示批量大小(batch size), 分别为第 个样本的真实索引与自然语言指令。
3.2 多粒度 Token 调节器
给定动态索引 和对应的文本特征 ,值得注意的是, 从两个不同的角度描述了同一实体。因此,LLM 对动态索引 的理解应当与对文本特征 的理解相似。

如图 3 所示,多粒度 Token 调节器模块在索引层和标记层构建了对齐监督。我们提出的基于索引层对齐监督优化目标公式如下,

其中, 为批量大小, 分别为动态索引 和文本特征 的 LLM 表示。具有相似表示的用户/物品往往会分配相似的索引,这些索引共享一部分相同的标记。因此,我们提出了基于标记层对齐监督的优化目标,公式如下,
其中 是第 个量化器的输入, 是与索引标记 对应的码字。

3.3 高阶交互模式挖掘

我们设计了高阶用户-物品交互模式的挖掘方法,使得 LLM 能够捕捉这些隐式模式。具体而言,我们首先根据历史行为构建相关的用户集合数据。对于每个物品 ,与之有过历史交互的用户被记录为一个关联集合 ,其中 表示用户 的交互序列。

作为序列推荐任务的对称任务,我们设计了用户预测任务,旨在挖掘用户共同购买模式。LLM 主干网络推荐系统通过提示多个历史上与特定物品有过交互的用户,然后指示其生成另一个喜欢相同物品的用户的索引。下面是异构指令的示例:

“You are a professional recommendation system. The item is historically purchased by the following users: . Could you please predict another user who may be interested in this item?”

为了挖掘用户偏好模式,我们还设计了基于用户最近评论、搜索查询和整体个人资料的指令调优任务。

实验结果
4.1 序列推荐性能

结论:1)融合语义信息和协同信息是提高序列推荐性能的有效方法;2)双重动态索引机制释放了 LLM 在序列推荐中的潜力;3)针对高阶用户-物品交互模式的特定指令调优至关重要。
4.2 消融实验
4.2.1 模型架构消融

结论:1)多粒度 Token 调节器(m-GTR)促进了 LLM 对动态索引标记的理解;2)引入用户相关信息存在加剧静态索引机制局限性的风险;3)简单地引入用户相关信息对序列推荐任务没有实质性的帮助。
4.2.2 索引方法消融
我们变化双重动态索引长度,并引入了动态局部敏感哈希(LSH)索引和静态 LSH 索引(分别表示为 D-LSH 和 S-LSH)作为对比变体。

结论:1)在商品、用户数量为 10K~45K 的数据规模下,用 4 个索引标记表示每个商品、用户是合适的;2)动态索引机制的优越性在局部敏感哈希索引上同样明显。

(文:PaperWeekly)

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