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# 041 | 搜索系统评测，有哪些高级指标？
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周一我们介绍了基于“二元相关”原理的线下评测指标。可以说，从1950年开始，这种方法就主导了文档检索系统的研发工作。然而，“二元相关”原理从根本上不支持排序的评测，这就成了开发更加准确排序算法的一道障碍。于是，研究人员就开发出了基于“多程度相关”原理的评测标准。今天我就重点来介绍一下这方面的内容。
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## 基于多程度相关原理的评测
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从“二元相关”出发，自然就是给相关度更加灵活的定义。在一篇发表于NIPS 2007的文章中（参考文献\[1\]），雅虎的科学家介绍了雅虎基于五分标准的相关评价体系，从最相关到最不相关。而在同一年的SIGIR上，谷歌的科学家也发表了一篇文章（参考文献\[2\]），介绍了他们的“多程度”相关打分机制。至此之后，基于“多程度相关”原理的评价标准慢慢被各种搜索系统的研发者们所接受。
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在这样的趋势下，基于“二元相关”的“精度”（Precision）和“召回”（Recall）都变得不适用了。我们需要新的、基于“多程度相关”的评价指标。
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芬兰的科学家在2000年的SIGIR上（参考文献\[3\]）发表了一种计算相关度评测的方法。这种方法被广泛应用到了“多程度相关”的场景中。那么，芬兰科学家发明的方法是怎样的呢？
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这种方法被称作是“**折扣化的累积获得**”（Discounted Cumulative Gain），简称“DCG”。 在介绍DCG之前，我们首先假定，位置1是排位最高的位置，也就是顶端的文档，而位置数随着排位降低而增高，位置10就是第一页最后的文档。
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DCG的思想是这样的。
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**首先，一个排序的整体相关度，是这个排序的各个位置上的相关度的某种加权**。这样用一个数字就描述了整个排序。只要排序的结果不同，这个数字就会有所不同。因此，这就避免了“精度”或“召回”对排序不敏感的问题。
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**其次，每个位置上面的“获得”（Gain）是和这个文档原本定义的相关度相关的，但是，根据不同的位置，要打不同的“折扣”**。位置越低（也就是位置数越大），折扣越大。这就是DCG名字的由来。
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在原始的DCG定义中，“折扣”是文档的相关度除以位置的对数转换。这样，既保证了位置越低（位置数大），折扣越大，还表达了，高位置（位置数小）的差别要大于低位置之间的差别。这是什么意思呢？意思就是，如果某一个文档从位置1挪到了位置2，所受的折扣（或者说是损失）要大于从位置9挪到了位置10。在这样的定义下，DCG鼓励把相关的文档尽可能地排到序列的顶部。
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事实上，假设我们有5个文档，假定他们的相关度分别是1、2、3、4、5，分别代表“最不相关”、“不相关”、“中性”、“相关”和“最相关”。那么，在DCG的定义下，最佳的排序就应该是把这5个文档按照相关度的顺序，也就是5、4、3、2、1来排定。任何其他的顺序因为根据位置所定义的“折扣获得”的缘故，都会取得相对较小的DCG，因此不是最优。DCG比“精度”和“召回”能够更好地表达对排序的评估。
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但直接使用DCG也存在一个问题。如果我们有两个查询关键字，返回的文档数不一样，那么直接比较这两个查询关键字的DCG值是不“公平”的。原因在于DCG的“加和”特性，结果肯定是越加越大，因此不能直接比较两个不同查询关键字的DCG值。
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有没有什么办法呢？把DCG加以“归一化”的指标叫做 **nDCG** （Normalized Discounted Cumulative Gain）。nDCG的思路是下面这样的。
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首先，对某一个查询关键字的排序，根据相关信息，来计算一组“理想排序”所对应的DCG值。理想排序往往就是按照相关信息从大到小排序。然后，再按照当前算法排序所产生的DCG值，除以理想的DCG值，就产生了“归一化”后的DCG，也就是我们所说的nDCG值。简单来说，nDCG就是把DCG相对于理想状态进行归一化。经过nDCG归一化以后，我们就可以比较不同查询关键字之间的数值了。
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这里需要说明的是，我们上面介绍的是DCG的原始定义。后来微软的学者们在2005年左右发明了另外一个变种的DCG，基本原理没有发生变化，只是分子分母有一些代数变形。这个新的版本后来在工业界得到了更加广泛的应用。如果你感兴趣，可以查看文末的参考文献\[4\]。
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**直到今天，nDCG以及DCG依然是评价排序算法以及各种排序结果的标准指标。**
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## 比较两个不同的排序
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不管是我们之前谈到的“精度”和“召回”，还是今天介绍的nDCG，我们都是使用一个“数”来描述了相对于某个查询关键字，一组结果的好坏。当我们有多个查询关键字的时候，我们该如何比较两个不同排序的结果呢？
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这里面的一个问题是，相对于两个不同的排序A和B来说，可能结果各有千秋，也许对于某一个关键字A比B的表现要好，但是另外一个关键字B就比A的结果更棒。这怎么办呢？
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也许你会想到用平均值来描述A和B的表现。这的确是很好的第一步。于是，我们就计算A和B，两个排序的平均表现。这样对于这两个排序而言，我们就有了两个数值来表达这两个排序的好坏。
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然而，很快我们就会遇到问题。假设A的nDCG平均值是0.781，B的nDCG平均值是0.789，我们可以下结论认为B是比A更好的排序算法吗？
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答案当然是不一定。这种情况，我们就需要依赖统计工具“**假设检验**”来评价两个排序的好坏。
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我这里就不去复习假设检验的细节了，简单说一个经常使用的工具。
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如果我们比较A和B是在同一组查询关键字上的话，那我们常常可以使用“**两个样本的配对T检验**”（Two Sample Paired T-Test）。这里所谓的“配对”是指A和B的结果是可以一一比较的。这里的“T检验”其实就是说借助“T分布”或者我们通常所说的“学生分布”来进行假设检验。如果我们是在不同查询关键字集合中进行比较的话，还有其他的假设检验工具，这里就不展开了。
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值得注意的是，假设检验本身也不是“万灵药”。第一，怎么最有效地在排序结果上进行假设检验还是一个研究话题，包括我们刚说的“两个样本的配对T检验”在内的所有方法都不是“金科玉律”。第二，依靠假设检验得出来的结论，仅仅是统计意义上的“好坏”，和这些系统在用户面前的表现可能依然会有很大差距。因此，**对于假设检验的结果也要带有“批判”的眼光**。
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## 小结
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今天我为你讲了现代搜索技术中如何评价我们构建的系统，特别是如何评价排序系统。
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一起来回顾下要点：第一，简要讲解了基于“多程度相关”的评价体系，包括其由来和DCG以及nDCG的概念。第二，详细介绍了如何来比较两个排序的好坏。
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最后，给你留一个思考题，如果我们只有“二元”相关信息，能不能用nDCG来评价好坏呢？
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欢迎你给我留言，和我一起讨论。
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**参考文献**
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1. Ben Carterette and Rosie Jones. Evaluating search engines by modeling the relationship between relevance and clicks. _Proceedings of the 20th International Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS’07)_, J. C. Platt, D. Koller, Y. Singer, and S. T. Roweis (Eds.). Curran Associates Inc., USA, 217-224,2007.
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2. Scott B. Huffman and Michael Hochster. How well does result relevance predict session satisfaction? _Proceedings of the 30th annual international ACM SIGIR conference on Research and development in information retrieval (SIGIR '07)_. ACM, New York, NY, USA, 567-574, 2007.
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3. Kalervo Järvelin and Jaana Kekäläinen. IR evaluation methods for retrieving highly relevant documents. _Proceedings of the 23rd annual international ACM SIGIR conference on Research and development in information retrieval (SIGIR '00)_. ACM, New York, NY, USA, 41-48, 2000.
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4. Chris Burges, Tal Shaked, Erin Renshaw, Ari Lazier, Matt Deeds, Nicole Hamilton, and Greg Hullender. Learning to rank using gradient descent. _Proceedings of the 22nd international conference on Machine learning (ICML '05)_. ACM, New York, NY, USA, 89-96, 2005.
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