文献阅读12期：Deep Learning on Graphs: A Survey - 1

Posted 2021-06-23 RaZLeon

[ 文献阅读·综述 ] Deep Learning on Graphs: A Survey [1]

推荐理由：图神经网络的survey paper，在很多的领域展现出了独特的作用力，分别通过GRAPH RNN（图循环网络）、GCN（图卷积）、GRAPH AUTOENCODERS（图自编码器）、GRAPH REINFORCEMENT LEARNING（图强化学习模型）、GRAPH ADVERSARIAL METHODS（图对抗模型）等五个类型的模型进行阐述，可以让大家对图神经网络有一个整体的认识

1.Introduction

• 作为人工智能领域皇冠上的宝石，深度学习在声音、图像、自然语言等领域表现出了难以匹敌的优势。它从数据中抽取复杂的Patterns的能力令人印象深刻。
• 而图（Graphs）在生活当中处处可见，这里的图是指狭义上的图论中的图，它们代表着不同领域当中事物间的联系。从社会网络，到电子商务网络，到生物链或是交通网，处处都有它们的身影。
• 如何利用深度学习的方法去分析图数据，这几年引起了广泛关注。不过也面临着以下挑战：
  1. 图的不规则结构：这导致了它很难被泛化，一些数学方法也很难用在图上，比如卷积核池化操作，在图上很难直接操作。
  2. 图的异质性与多样性：一个图的不同边与节点可能有各种各样不同的类型和特性。heterogeneous或homogenous，weighted或unweighted, signed或unsigned。每个图的功能也相差甚远。有给节点分类的，有预测边的链接的，有预测点属性的，可谓是花样百出。
  3. 大比例图：大数据时代有大图，图的节点或边数甚至可以是百万或是十亿级别。
  4. 跨学科：图论涉及的学科那就多了，化学分子的结构是个典型的图，亚马逊雨林食物链也是个图，社会人际关系更是图论的图。化学分子结构图有时候目标函数和限制条件甚至是不可微的，这就得刷掉一大部分基于梯度训练的网络。
• 为了解决这些问题，这个领域的文章如雨后春笋一般冒了出来。
• 下图给出五大类图神经网络与相应的目标和功能
  

2.数学符号

• 图的表达：$G=(V,E)$， V = { v 1 , … , v N } V=\\left\\{v_{1}, \\ldots, v_{N}\\right\\} V={v1​,…,vN​}是N个点的集合。$E\subseteq V\times V$是M条边的集合，$\mathbf{A}\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$代表领接矩阵。
• 图可以使有向无向、有权无权，且$\mathbf{A}(i,j)\ge 0$。
• ${\mathbf{F}}^V$代表节点的features，${\mathbf{F}}^E$代表边的features。
• ${\mathbf{X}}_1\odot {\mathbf{X}}_2$本文中代表对应元素相乘。
• 无向图的拉普拉斯矩阵被定义为$\mathbf{L}=\mathbf{D}-\mathbf{A}$, where $\mathbf{D}\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$（D是一个斜对角阵），$\mathbf{D}(i,i)={\sum }_i\mathbf{A}(i,j)$。
• 拉普拉斯矩阵自分解为：$\mathbf{L}=\mathbf{Q}\mathbf{\Lambda }{\mathbf{Q}}^{\mathbf{T}}$, where $\mathbf{\Lambda }\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$（$\mathbf{\Lambda }$也是个对角阵，且其中是升序排序的特征值），$\mathbf{Q}\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$是对应的特征向量。（拉普拉斯矩阵，可以看看这篇文章，讲得很好：https://zhuanlan.zhihu.com/p/67336297/）
• 转移矩阵被定义为：$\mathbf{P}={\mathbf{D}}^{-1}\mathbf{A}$, 其中 $\mathbf{P}(i,j)$代表着从$v_i$到$v_j$的random walk的几率
• 节点$v_i$的k步近邻定义为： N k ( i ) = { j ∣ D ( i , j ) ≤ k } \\mathcal{N}_{k}(i)=\\{j \\mid \\mathcal{D}(i, j) \\leq k\\} Nk​(i)={j∣D(i,j)≤k}，其中$\mathcal{D}(i,j)$从$v_i$到$v_j$的最短距离。${\mathcal{N}}_k(i)$就是$v_i$ k步之内能抵达的点。
• 对于深度学习模型，本文用超文本${\mathbf{H}}^l\in {\mathbb{R}}^{N\times f_l}$来描述l层的各个维度。
• 在图上训练深度模型可以被分为两类：
  1. 专注于节点的任务：这些任务专注于图中独立的节点，比如点分类，链接预测，和节点属性预测。
  2. 专注于图的任务：这些任务则更倾向于整个图。比如图分类，评估图的各种属性以及图生成。
     

3.图循环神经网络

• Graph RNN 可以被大致分为两种：node-level RNNs & graph-level RNNs，主要区别就在于各自focus的方面。
• 下表给出两种图循环神经网络的主要区别：
  

3.1.Node-level RNNs

• Node-level RNNs for graphs 也叫作Graph Neural Networks（GNNs），其最主要的思想就是将图结构信息编码。通过一组低维度状态向量${\mathbf{s}}_i$来描述点$v_i$，那么对状态的递归式定义为：
  $${\mathbf{s}}_i=\sum _{j\in \mathcal{N}(i)}\mathcal{F}\left({\mathbf{s}}_i,{\mathbf{s}}_j,{\mathbf{F}}_i^V,{\mathbf{F}}_j^V,{\mathbf{F}}_{i,j}^E\right)\text{\hspace{1em}(1)}$$
• 最终输出可以表达为：
  $${\hat{y}}_i=\mathcal{O}\left({\mathbf{s}}_i,{\mathbf{F}}_i^V\right)\text{\hspace{1em}(2)}$$
• 对graph-focused任务，可以在图中加个含有独特属性的special node来表示整个图。
• 本文的作者有个让我比较惊讶的观点：几种循环神经网络实则是一种图结构，并且大多遵循1式的形式进行迭代更新，并且相邻的节点之间基本都会交换信息。
• 为确保1式有唯一解，那就需要$\mathcal{F}(\cdot )$是一个压缩映射，如$\exists \mu ,0<\mu <1$，则有：
  ∥ F ( x ) − F ( y ) ∥ ≤ μ ∥ x − y ∥ , ∀ x , y (3) \\|\\mathcal{F}(x)-\\mathcal{F}(y)\\| \\leq \\mu\\|x-y\\|, \\forall x, y\\tag{3} ∥F(x)−F(y)∥≤μ∥x−以上是关于文献阅读12期：Deep Learning on Graphs: A Survey - 1的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

  文献阅读17期：Deep Learning on Graphs: A Survey - 6

  文献阅读16期：Deep Learning on Graphs: A Survey - 5

  文献阅读17期：Deep Learning on Graphs: A Survey - 6

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