Recently, there has been an increasing adoption of differential privacy guided algorithms for privacy-preserving machine learning tasks. However, the use of such algorithms comes with trade-offs in terms of algorithmic fairness, which has been widely acknowledged. Specifically, we have empirically observed that the classical collaborative filtering method, trained by differentially private stochastic gradient descent (DP-SGD), results in a disparate impact on user groups with respect to different user engagement levels. This, in turn, causes the original unfair model to become even more biased against inactive users. To address the above issues, we propose \textbf{DP-Fair}, a two-stage framework for collaborative filtering based algorithms. Specifically, it combines differential privacy mechanisms with fairness constraints to protect user privacy while ensuring fair recommendations. The experimental results, based on Amazon datasets, and user history logs collected from Etsy, one of the largest e-commerce platforms, demonstrate that our proposed method exhibits superior performance in terms of both overall accuracy and user group fairness on both shallow and deep recommendation models compared to vanilla DP-SGD.


翻译:近年来,差分隐私 (Differential Privacy) 引导的算法在保证隐私的机器学习任务中得到了越来越多的应用。但是,这些算法的使用会带来算法公平性的权衡,这一点已经被广泛承认。特别地,我们已经实证发现,利用差分隐私随机梯度下降(DP-SGD)过程中训练的传统协同过滤方法在不同的用户参与层次下会造成不公平现象。这反过来导致原有的不公平模型对不活跃用户的偏见更为严重。为了解决上述问题,我们提出了 DP-Fair,这是一种基于协同过滤算法的两阶段框架,它将差分隐私机制与公平性约束相结合,在保护用户隐私的同时确保公平推荐。基于 Amazon 数据集和 Etsy 收集的用户历史日志,我们的实验结果表明,在浅层和深度的推荐模型中,与原始的 DP-SGD 相比,我们提出的方法在整体准确性和用户群体公平方面都表现出更优秀的性能。

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协同过滤(英语:Collaborative Filtering),简单来说是利用某兴趣相投、拥有共同经验之群体的喜好来推荐用户感兴趣的信息,个人透过合作的机制给予信息相当程度的回应(如评分)并记录下来以达到过滤的目的进而帮助别人筛选信息,回应不一定局限于特别感兴趣的,特别不感兴趣信息的纪录也相当重要。协同过滤又可分为评比(rating)或者群体过滤(social filtering)。其后成为电子商务当中很重要的一环,即根据某顾客以往的购买行为以及从具有相似购买行为的顾客群的购买行为去推荐这个顾客其“可能喜欢的品项”,也就是借由社群的喜好提供个人化的信息、商品等的推荐服务。除了推荐之外,近年来也发展出数学运算让系统自动计算喜好的强弱进而去芜存菁使得过滤的内容更有依据,也许不是百分之百完全准确,但由于加入了强弱的评比让这个概念的应用更为广泛,除了电子商务之外尚有信息检索领域、网络个人影音柜、个人书架等的应用等。
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