图神经网络的介绍（基础，DeepWalk和GraphSage）

作者：Steeve Huang
编译：ronghuaiyang

导读

给大家介绍目前非常热门的图神经网络，包括基础和两个常用算法，DeepWalk和GraphSage。

近年来，图神经网络(GNN)在社交网络、知识图谱、推荐系统甚至生命科学等各个领域得到了越来越广泛的应用。GNN具有对图中节点间依赖关系建模的强大功能，使得图分析相关研究领域取得了突破。本文会介绍图神经网络的基本原理，以及两种更高级的算法，DeepWalk和GraphSage。

图

在讨论GNN之前，让我们先了解什么是Graph。在计算机科学中，图是由顶点和边两部分组成的数据结构。一个图G可以由它所包含的顶点V和边E的集合很好地描述。

根据顶点之间是否存在方向依赖关系，边可以是有向的，也可以是无向的。

有向图

这些顶点通常称为节点。在本文中，这两个术语是可以互换的。

图神经网络

图神经网络是一种直接作用于图结构上的神经网络。GNN的一个典型应用是节点分类。本质上，图中的每个节点都与一个标签相关联，我们希望在没有ground-truth的情况下预测节点的标签。本节将说明本文中描述的算法。第一个提出的GNN常常被称为原始GNN。

在节点分类问题设置中，每个节点v的特征是x_v，并与一个ground-truth标签t_v关联。给定一个部分标记的图G，目标是利用这些标记的节点来预测未标记的标签。它学习用一个d维向量(状态)h_v表示每个节点，其中包含其邻域的信息。具体地说,

其中x_co[v]表示与v相连的边的特征，h_ne[v]表示与v相邻节点的嵌入，x_ne[v]表示与v相邻节点的特征。函数f是将这些输入投射到d维空间的转换函数。因为我们正在为h_v寻找一个惟一的解，所以我们可以应用Banach定点定理并将上面的等式重写为迭代更新过程。这种操作通常称为消息传递或邻居聚合。

H和X分别表示所有H和X的级联。

H和X分别表示所有H和X的级联。

通过将状态h_v和特征x_v传递给输出函数g来计算GNN的输出。

这里的f和g都可以解释为前馈全连接神经网络。L1损失可以直接表述为:

可以通过梯度下降来优化。

然而，有文章指出，GNN的这一原始方法存在三个主要限制：

1. 如果放松“不动点”的假设，就有可能利用多层感知器来学习更稳定的表示，并消除迭代更新过程。这是因为，在原方案中，不同的迭代使用相同的转换函数f的参数，而MLP不同层中不同的参数允许分层特征提取。
2. 它不能处理边缘信息(例如，知识图中不同的边缘可能表示节点之间不同的关系)
3. 不动点会阻碍节点分布的多样化，因此可能不适合学习表示节点。

已经提出了几个GNN的变体来解决上述问题。然而，它们没有被涵盖，因为它们不是本文的重点。

DeepWalk

DeepWalk是第一个提出以无监督方式学习节点嵌入的算法。就训练过程而言，它非常类似于单词嵌入。其动机是图中节点和语料库中单词的分布遵循幂律，如下图所示:

算法包括两个步骤:

1. 在图中的节点上执行随机漫步以生成节点序列
2. 根据步骤1生成的节点序列，运行skip-gram，学习每个节点的嵌入

在随机游走的每个时间步长上，下一个节点均匀地从前一个节点的邻居中采样。然后将每个序列截断为长度2|w| + 1的子序列，其中w表示skip-gram的窗口大小。

本文采用层次softmax 算法，解决了节点数量大、计算量大的softmax问题。要计算每个单独输出元素的softmax值，我们必须计算所有元素k的所有e^xk。

因此，原始softmax的计算时间为O(|V|)，其中V表示图中顶点的集合。

层次softmax利用二叉树来处理该问题。在这个二叉树中，所有的叶子(上图中的v1 v2…v8)都是图中的顶点。在每个内部节点中，都有一个二进制分类器来决定选择哪条路径。要计算给定顶点v_k的概率，只需计算从根节点到左节点的路径上的每个子路径的概率v_k。由于每个节点的子节点的概率之和为1，所以所有顶点的概率之和等于1的性质在层次softmax中仍然成立。现在一个元素的计算时间减少到O(log|V|)，因为二叉树的最长路径以O(log(n))为界，其中n是叶子的数量。

经过DeepWalk GNN的训练，模型学习到每个节点的良好表示，如下图所示。不同的颜色表示输入图中不同的标签。我们可以看到，在输出图中(2维嵌入)，具有相同标签的节点聚集在一起，而具有不同标签的大多数节点被正确地分离。

然而，DeepWalk的主要问题是它缺乏泛化的能力。每当一个新节点出现时，它都必须对模型进行重新训练，才可以表示这个节点。因此，这种GNN不适用于图中节点不断变化的动态图。

GraphSage

GraphSage提供了一个解决上述问题的解决方案，以归纳的方式学习每个节点的嵌入。具体地说，每个节点由其邻域的聚合表示。因此，即使在图中出现了训练过程中没有出现过的新的节点，也可以用相邻的节点来表示。下面是GraphSage的算法。

外循环表示更新迭代次数，h^k_v表示更新迭代时节点v的隐向量k。在每次更新迭代中，根据一个聚集函数、前一次迭代中v和v邻域的隐向量以及权矩阵W^k对h^k_v进行更新。本文提出了三个聚合函数:

1. Mean aggregator:

mean aggregator取一个节点及其所有邻域的隐向量的平均值。

与原始方程相比，它删除了上面伪代码第5行中的连接操作。这种操作可以看作是一种“跳跃连接”，本文稍后的部分证明了这种连接在很大程度上提高了模型的性能。

2. LSTM aggregator:

由于图中的节点没有任何顺序，它们通过遍历这些节点来随机分配顺序。

3. Pooling aggregator:

这个操作符在相邻的集合上执行一个元素池化函数。下面是最大池化的例子：

可以用均值池化或任何其他对称池化函数替换。池化聚合器性能最好，而均值池化聚合器和最大池化聚合器性能相近。本文使用max-pooling作为默认的聚合函数。

损失函数定义如下:

其中u和v共出现在固定长度的随机游动中，v_n是与u不共出现的负样本。这种损失函数鼓励距离较近的节点进行类似的嵌入，而距离较远的节点则在投影空间中进行分离。通过这种方法，节点将获得越来越多的关于其邻域的信息。

GraphSage通过聚合其附近的节点，为不可见的节点生成可表示的嵌入。它允许将节点嵌入应用于涉及动态图的领域，其中图的结构是不断变化的。例如，Pinterest采用GraphSage的扩展版本PinSage作为内容发现系统的核心。

总结

你学习了图形神经网络、DeepWalk和GraphSage的基础知识。GNN在复杂图形结构建模方面的能力确实令人吃惊。鉴于其有效性，我相信在不久的将来，GNN将在人工智能的发展中发挥重要的作用。

英文原文：https:///a-gentle-introduction-to-graph-neural-network-basics-deepwalk-and-graphsage-db5d540d50b3