一文梳理推荐系统中的多任务学习

© 作者｜杨晨

机构｜中国人民大学

研究方向｜推荐系统

本文聚焦推荐系统中的一个研究方向 —— Multi-Task Recommendation，整理近五年内的研究工作，进行分类总结，并针对22年最新相关论文进行精读，不足之处还望大家进行批评和指正。（更加详细的论文列表可参照 https://github.com/flust/MTL-Rec-paper_list）

1. 什么是多任务学习 (Multi-Task Learning)

    对我们人来说，学习某项任务的时候，其实可以利用很多其他任务的知识，比如一个人要同时学习网球和乒乓球，那么可以发现，在网球中的一些技巧可以直接应用到乒乓球中，反过来也一样。受到这种思路的启发，多任务学习（Multi-Task Learning - MTL）作为机器学习中的一种范式被提出，目标是综合学习多种相关任务，使得某项任务中的知识可以被其他任务所利用，以提高所有任务的泛化效果。在此目标下，对 MTL 可以给出如下定义： 

   给定m个学习任务，不同的任务之间存在一定的关联，MTL的目标是：同时学习这m个任务，利用所有任务中的知识和信息去提高每一个任务的效果。

2. 与其他学习范式的区别和联系

    参考论文[1]，MTL与机器学习中的其他几种学习范式具有一定的相关性，比如 transfer learning，multi-label learning 和 multi-view learning，他们之间也有一些核心的区别。

2.1 MTL vs. transfer learning

   在多任务学习中，各项任务的地位没有显著差异，知识流向为各任务之间相互流动，最终目标为提高所有任务的效果。而在迁移学习中，最终目标是提高目标任务的效果，源任务只是用来提供信息和知识，知识单方向从源任务流向目标任务。

2.2 MTL vs. multi-label learning

   在多标签学习中，每个数据与多个标签相关联，如果把每个标签都当成一个任务，那么其可以一定程度上看作多任务学习，多标签学习在训练和测试阶段共享同样的数据。而多任务学习中，不同任务的数据可以是不一样的。

2.3 MTL vs. multi-view learning

   在多视角学习中，每一条数据都具有不同的视角，不同的视角下具有不同的特征，所有视角下的信息都用来服务于一个最终目标，可以理解为多组特征下的单任务学习。

3. 参数共享方式分类

   推荐系统中的MTL面临的主要挑战是 学习不同任务间合适的共享参数，并避免信息负迁移现象。参考论文[8]，推荐系统中的MTL按照参数共享方式可以分为以下几类：

• Hard Parameter Sharing：核心思路是所有任务共享同样的底层参数，而顶层的参数相互独立，针对特定的任务独立训练。这种共享方式对于高相关度的任务表现更有效。[2][4]

• Soft Parameter Sharing：并不强制要求每个任务共享同样的网络参数，每个任务通过一个独立的模型进行优化，除此之外，每个模型可以获取其他模型的信息。这种方式对于相关性小的任务表现更好。[9]

• Expert Parameter Sharing：MoE网络通过一个控制激活模块来组合多个专家模块，MMoE方法进一步被提出针对特定的任务采取不同的控制激活。可以对每个任务使用同一个模型而不是不同模型。[6][7]

• Sparse Sharing：自动提取任务子网，子网部分重叠，首先通过训练去决定哪些参数进行共享，然后针对固定好的共享部分进行训练。需要两阶段训练，不够高效。[5]

 

4. MTL in Recommendation

   作为一个应用性很强的研究领域，推荐系统中很自然的有多种任务存在，多任务学习 (MTL) 被广泛应用在现实的推荐系统中，去预测不同类型的用户反馈及其他任务。下面按照任务的不同对近五年的MTL推荐系统论文进行分类整理并对其研究方向和内容进行简要概括，更加详细的论文列表可以参考github库。（各类别下按照时间顺序排序）

4.1 准确性与可解释性

• Why I like it: multi-task learning for recommendation and explanation. RecSys 2018

• 分别使用矩阵分解与生成对抗模型进行评分预测和评论生成，共享用户和物品向量。

• Explainable recommendation via multi-task learning in opinionated text data. SIGIR 2018

• 使用多个张量分解进行偏好预测和观点生成，共享用户、物品、特征和观点向量。

• Co-attentive multi-task learning for explainable recommendation. IJCAI 2019

• 设计了一个编码-选择-解码器结构和一个分层注意力选择器做评分预测和评论生成。

4.2 多种用户行为

• Rank and rate: multi-task learning for recommender systems. RecSys 2018

• 将排名和打分视作一个事件的两个阶段，先预测排序，再预测打分。

• Modeling task relationships in multi-task learning with multi-gate mixture-of-experts. KDD 2018

• MMoE，跨任务共享专家子模型，通过门控网络对每个任务进行优化。

• Multiple relational attention network for multi-task learning. SIGKDD 2019

• 基于attention机制建立三种关系模式：任务-任务 / 特征-特征 / 特征-任务。

• Recommending what video to watch next: a multi-task ranking system. RecSys 2019

• 架构为 Wide & Deep，利用 MMoE 进行两任务部分参数共享。

• Predicting different types of conversions with multi-task learning in online advertising. SIGKDD 2019

• 架构为 FwFM 因子分解机，模型共享特征向量，针对任务增加特定参数并分别优化。

• Cross-Task Knowledge Distillation in Multi-Task Recommendation. AAAI 2022

• 对所有任务两两分组进行任务增强，利用增强后的任务进行知识蒸馏。

• MetaBalance: Improving Multi-Task Recommendations via Adapting Gradient Magnitudes of Auxiliary Tasks. WWW 2022

• 控制不同任务的梯度下降幅度以更好服务于目标任务。

4.3 CTR CVR

• Entire Space Multi-Task Model: An Effective Approach for Estimating Post-Click Conversion Rate. SIGIR 2018

• 提出新任务CTCVR，构建全空间多任务模型，解决选择偏差（训练CVR只在点击数据上进行）问题。

• Progressive Layered Extraction (PLE): A Novel Multi-Task Learning (MTL) Model for Personalized Recommendations. RecSys 2020

• 在MMoE的基础上，显式区分共享和任务特有expert，缓解多任务学习的跷跷板问题。

• LT4REC: A Lottery Ticket Hypothesis Based Multi-task Practice for Video Recommendation System. arxiv 2021

• 首次提出在神经元粒度上的参数共享方式。

• A Contrastive Sharing Model for Multi-Task Recommendation. WWW 2022

• 在神经元粒度上进行参数共享，通过对比学习提升掩码下子网络的学习效果。

 

5. 最新研究进展精读

5.1 A Contrastive Sharing Model for Multi-Task Recommendation. WWW 22

• Motivation：不同任务之间会引入噪声，造成 Negative transfer 问题

• Main idea：检测每个参数对于每个任务的影响程度，参数根据受影响大的任务更新

• Model: 对比共享网络 (Contrastive Sharing Network)，输入输出部分很容易理解不做解释，网络结构为多层MLP，核心在于对于每个任务，设置一个可学习的参数掩码，其作用为对网络结构进行mask，最终不同任务的网络结构因此不同。

• 参数掩码更新：随机初始化，然后不断进行剪枝操作。

• 对比损失：初始设定好的子网为正，生成多个负子网，在子网层面构建 pairwise 损失函数，有点像网络结构层面的数据增强。

（ps：有点像对每个任务固定一个dropout，利用它设计一些自监督信号来增强模型效果）

5.2 MetaBalance: Improving Multi-Task Recommendations via Adapting Gradient Magnitudes of Auxiliary Tasks. WWW 22

• Motivation：目前利用辅助任务的方法会导致优化不平衡问题（有些梯度大，有些梯度小）。

• Main idea：控制不同任务的梯度下降幅度以更好服务于目标任务。

• Model：提供了一个灵活的框架，从梯度幅度的角度更好地改进目标任务。

• 强化目标任务的主导地位：减小过大的辅助梯度

• 增强弱辅助任务的知识传递：放大过小的辅助梯度

• 通过一个松弛因子灵活控制。

（ps：其最终只关注目标任务，严格来讲是 transfer learning，而不是MTL）

5.3 Cross-Task Knowledge Distillation in Multi-Task Recommendation. AAAI 22

• Motivation：现有的多任务学习算法效果不足（某任务中真实标签相同的物品不能准确排序），"Buy:0, Like:1"和"Buy:0, Like:0"，只看 Buy 任务的标签，二者一样，但前者应该排序更靠前。

• Main idea：利用其他任务中的信息指导目标任务的学习。

• Model：包括三部分：1.任务增强，2.知识蒸馏，3.训练和纠错机制。利用两个任务设计新任务，将新任务视为teacher，以此进行知识传递。

• 任务增强：先将多个任务（均为二分类任务）两两分组，每个样本两个标签，此时样本可以标记为++/+-/-+/--。考虑第一个标签，则存在偏序关系 ++ > +- > -+ > --。对于第二个标签同理。此时，每两个任务即可构造两个增强任务。（如图中利用A和B任务构造任务A+和B+）

• 对于teacher模型：在增强任务上利用偏序关系构造 pairwise 损失。

• 对于student模型：知识蒸馏，利用增强后的任务学习出的teacher模型标签训练student模型，例如图中，利用 Tower A+ 的预测值训练 Tower A。

• 训练：参数分为两类（图中深灰色和浅灰色），每次迭代交替训练。

（ps：原文评测指标是auc，没有做评分融合，实际应用场景下大概率需要排序。模型预测 "Buy:1, Like:0" 和 "Buy:0, Like:1"，如何排序这个问题依然没有解决）

 

部分参考文献

[1] A Survey on Multi-Task Learning TKDE 2021

[2] Why I like it: multi-task learning for recommendation and explanation. RecSys 2018

[3] Explainable recommendation via multi-task learning in opinionated text data. SIGIR 2018

[4] Recommending what video to watch next: a multitask ranking system. RecSys 2019

[5] Learning Sparse Sharing Architectures for Multiple Tasks. AAAI 2020

[6] Progressive Layered Extraction (PLE): A Novel Multi-Task Learning (MTL) Model for Personalized Recommendations. RecSys 2020

[7] Modeling task relationships in multi-task learning with multi-gate mixture-of-experts.  KDD 2018

[8] A Contrastive Sharing Model for Multi-Task Recommendation WWW 22

[9] Cross-stitch networks for multi-task learning. CVPR 2016

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