pageRank算法 python实现

一、什么是pagerank

PageRank的Page可是认为是网页，表示网页排名，也可以认为是Larry Page(google 产品经理)，因为他是这个算法的发明者之一，还是google CEO（^_^）。PageRank算法计算每一个网页的PageRank值，然后根据这个值的大小对网页的重要性进行排序。它的思想是模拟一个悠闲的上网者，上网者首先随机选择一个网页打开，然后在这个网页上呆了几分钟后，跳转到该网页所指向的链接，这样无所事事、漫无目的地在网页上跳来跳去，PageRank就是估计这个悠闲的上网者分布在各个网页上的概率。

二、最简单pagerank模型

互联网中的网页可以看出是一个有向图，其中网页是结点，如果网页A有链接到网页B，则存在一条有向边A->B，下面是一个简单的示例：

这个例子中只有四个网页，如果当前在A网页，那么悠闲的上网者将会各以1/3的概率跳转到B、C、D，这里的3表示A有3条出链，如果一个网页有k条出链，那么跳转任意一个出链上的概率是1/k，同理D到B、C的概率各为1/2，而B到C的概率为0。一般用转移矩阵表示上网者的跳转概率，如果用n表示网页的数目，则转移矩阵M是一个n*n的方阵；如果网页j有k个出链，那么对每一个出链指向的网页i，有M[i][j]=1/k，而其他网页的M[i][j]=0；上面示例图对应的转移矩阵如下：

初试时，假设上网者在每一个网页的概率都是相等的，即1/n，于是初试的概率分布就是一个所有值都为1/n的n维列向量V0，用V0去右乘转移矩阵M，就得到了第一步之后上网者的概率分布向量MV0,（nXn）*(nX1)依然得到一个nX1的矩阵。下面是V1的计算过程：

注意矩阵M中M[i][j]不为0表示用一个链接从j指向i，M的第一行乘以V0，表示累加所有网页到网页A的概率即得到9/24。得到了V1后，再用V1去右乘M得到V2，一直下去，最终V会收敛，即Vn=MV(n-1)，上面的图示例，不断的迭代，最终V=[3/9,2/9,2/9,2/9]‘：

三、终止点问题

上述上网者的行为是一个马尔科夫过程的实例，要满足收敛性，需要具备一个条件：

• 图是强连通的，即从任意网页可以到达其他任意网页：

互联网上的网页不满足强连通的特性，因为有一些网页不指向任何网页，如果按照上面的计算，上网者到达这样的网页后便走投无路、四顾茫然，导致前面累计得到的转移概率被清零，这样下去，最终的得到的概率分布向量所有元素几乎都为0。假设我们把上面图中C到A的链接丢掉，C变成了一个终止点，得到下面这个图：

对应的转移矩阵为：

连续迭代下去，最终所有元素都为0：

四、陷阱问题

另外一个问题就是陷阱问题，即有些网页不存在指向其他网页的链接，但存在指向自己的链接。比如下面这个图：

上网者跑到C网页后，就像跳进了陷阱，陷入了漩涡，再也不能从C中出来，将最终导致概率分布值全部转移到C上来，这使得其他网页的概率分布值为0，从而整个网页排名就失去了意义。如果按照上面图对应的转移矩阵为：

不断的迭代下去，就变成了这样：

五、解决终止点问题和陷阱问题

上面过程，我们忽略了一个问题，那就是上网者是一个悠闲的上网者，而不是一个愚蠢的上网者，我们的上网者是聪明而悠闲，他悠闲，漫无目的，总是随机的选择网页，他聪明，在走到一个终结网页或者一个陷阱网页（比如两个示例中的C），不会傻傻的干着急，他会在浏览器的地址随机输入一个地址，当然这个地址可能又是原来的网页，但这里给了他一个逃离的机会，让他离开这万丈深渊。模拟聪明而又悠闲的上网者，对算法进行改进，每一步，上网者可能都不想看当前网页了，不看当前网页也就不会点击上面的连接，而上悄悄地在地址栏输入另外一个地址，而在地址栏输入而跳转到各个网页的概率是1/n。假设上网者每一步查看当前网页的概率为a，那么他从浏览器地址栏跳转的概率为(1-a)，于是原来的迭代公式转化为：

现在我们来计算带陷阱的网页图的概率分布：

重复迭代下去，得到：

六、用Python实现Page Rank算法

Python 实现的PageRank算法，纯粹使用python原生模块，没有使用numpy、scipy。这个程序实现还比较原始，可优化的地方较多。

 # -*- coding:utf-8 -*-
 import random

 N = 4  # 四个网页
 d = 0.85  # 阻尼因子为0.85
 delt = 0.00001  # 迭代控制变量

 # 两个矩阵相乘
 def matrix_multi(A, B):
     result = [[0] * len(B[0]) for i in range(len(A))]
     for i in range(len(A)):
         for j in range(len(B[0])):
             for k in range(len(B)):
                 result[i][j] += A[i][k] * B[k][j]
     return result

 # 矩阵A的每个元素都乘以n
 def matrix_multiN(n, A):
     result = [[1] * len(A[0]) for i in range(len(A))]
     for i in range(len(A)):
         for j in range(len(A[0])):
             result[i][j] = n * A[i][j]
     return result

 # 两个矩阵相加
 def matrix_add(A, B):
     if len(A[0]) != len(B[0]) and len(A) != len(B):
         return
     result = [[0] * len(A[0]) for i in range(len(A))]
     for i in range(len(A)):
         for j in range(len(A[0])):
             result[i][j] = A[i][j] + B[i][j]
     return result

 def pageRank(A):
     e = []
     for i in range(N):
         e.append(1)
     norm = 100
     New_P = []
     for i in range(N):
         New_P.append([random.random()])
     r = [[(1 - d) * i * 1 / N] for i in e]
     while norm > delt:
         P = New_P
         New_P = matrix_add(r, matrix_multiN(d, matrix_multi(A, P)))  # P=(1-d)*e/n+d*M'P PageRank算法的核心
         norm = 0
         # 求解矩阵一阶范数
         for i in range(N):
             norm += abs(New_P[i][0] - P[i][0])
     print New_P

 # 根据邻接矩阵求转移概率矩阵并转向
 def tran_and_convert(A):
     result = [[0] * len(A[0]) for i in range(len(A))]
     result_convert = [[0] * len(A[0]) for i in range(len(A))]
     for i in range(len(A)):
         for j in range(len(A[0])):
             result[i][j] = A[i][j] * 1.0 / sum(A[i])
     for i in range(len(result)):
         for j in range(len(result[0])):
             result_convert[i][j] = result[j][i]
     return result_convert

 def main():
     A = [[0, 1, 1, 0], \
          [1, 0, 0, 1], \
          [1, 0, 0, 1], \
          [1, 1, 0, 0]]
     M = tran_and_convert(A)
     pageRank(M)

 if __name__ == '__main__':
     main()

还有另外一个算法是用了numpy数组的。

 # -*- coding: utf-8 -*-
 from numpy import *

 a = array([[0, 1, 1, 0],
            [1, 0, 0, 1],
            [1, 0, 0, 1],
            [1, 1, 0, 0]], dtype=float)  # dtype指定为float

 def graphMove(a):  # 构造转移矩阵
     b = transpose(a)  # b为a的转置矩阵
     c = zeros((a.shape), dtype=float)
     for i in range(a.shape[0]):
         for j in range(a.shape[1]):
             c[i][j] = a[i][j] / (b[j].sum())  # 完成初始化分配
     # print c,"\n===================================================="
     return c

 def firstPr(c):  # pr值得初始化
     pr = zeros((c.shape[0], 1), dtype=float)  # 构造一个存放pr值得矩阵
     for i in range(c.shape[0]):
         pr[i] = float(1) / c.shape[0]
         # print pr,"\n==================================================="
     return pr

 def pageRank(p, m, v):  # 计算pageRank值
     while ((v == p * dot(m, v) + (
         1 - p) * v).all() == False):  # 判断pr矩阵是否收敛,(v == p*dot(m,v) + (1-p)*v).all()判断前后的pr矩阵是否相等，若相等则停止循环
         # print v
         v = p * dot(m, v) + (1 - p) * v
         # print (v == p*dot(m,v) + (1-p)*v).all()
     return v

 if __name__ == "__main__":
     M = graphMove(a)
     pr = firstPr(M)
     p = 0.85  # 引入浏览当前网页的概率为p,假设p=0.8
     print pageRank(p, M, pr)  # 计算pr值