文献阅读18期：Learning Convolutional Neural Networks for Graphs

Posted 2023-02-19 RaZLeon

[ 文献阅读·图神经网络 ] Learning Convolutional Neural Networks for Graphs [1]

推荐理由：本文考虑两个问题，一是训练一个可以用于未知图的函数，让未知图可以有效进行分类和回归问题求解。二是用于对未知图的特性进行预测（如点或边的缺失）。

1.摘要&简介

• 本文的目的在于建立一种用于表达有向图或无向图的框架。
• 如果要理解图神经网络的卷积，那就得先理解传统的卷积神经网络CNN。如图1所示，从图卷积的角度去看，CNN就像是一个遍历所有节点，然后固定每个点近邻数量的图神经网络（每个像素节点固定有8个近邻，这效率高么？似乎不高。）：
  
• 在NLP当中同样有类似的问题，比如Skip-Gram和Cbow的窗口一旦固定，预测的信息来源也只有前后两个近邻：
  
• 但有没有考虑过这样一个问题，在图像识别的过程中，人眼、鼻、口的位置关系基本是差不多的，但在像素点上，他们距离太远，在像素序列上距离更远，举个例子，眼睛的一个像素点，周围的像素可能只有眼睛和皮肤，除非一个人五官挤在一起，那几乎不可能在眼睛像素点的近邻中出现鼻子的像素点。
• 这种隐形关系的缺失，导致了图信息的缺失。
• 在NLP问题中，这样的Graph信息缺失同样也很严重，比如：“我今天忘记带猫咪去打疫苗了。”在这句话中“我”和“猫咪”是主人和宠物的关系，但如果窗口大小为前后各2，那“我”字能“看见”的前后信息，只有“今天”和“忘记”，则主人和宠物这种人类看似很直觉的联系，就被排除在语义之外。（这个例子其实很粗，博主自己想的，大家近似理解一下就好）
• 所以，图卷积这种“近邻数量自由”、“关系表达丰富”、“节点通信自由”的数据结构就能够从一定程度上解决隐形信息缺失的问题。
• 本文提出的方法名叫PATCHY-SAN，力求解决以下两个问题：
  1. 确定一种或多种节点序列，并用它们创建邻域图；
  2. 计算邻域图的归一化，即，从图表示到向量空间表示的唯一映射。
• 图2展示了PATCHY-SAN的结构：
  

2.PATCHY-SAN的相关概念

• 标记：本文定义了一个函数$\ell$用于节点的rank排序，也就是说将所有的节点映射为一个序列$V\to S$，当$\ell (u)>\ell (v)$时rank有$\mathbf{r}(u)<\mathbf{r}(v)$。
• 分区：由此，每个图G会得到一个新的邻接矩阵${\mathbf{A}}^{\ell }(G)$，这其中每个节点的位置其实就是rank后的位置，近邻关系也是rank里的前后关系，而且每个同等级的节点还会被分到同一个区里去，这样就构成了多个节点的分区$V_1,\dots ,V_n$。
• 同构和规范化：为了对比两个图，自然还要考虑同构和规范化的问题。

3.实施PATCHY-SAN

• 实施图卷积，首先需要解决CNN没有解决的两个问题：
  1. 确定一种节点序列，并用它们创建邻域图；
  2. 确定从图表示到向量表示的唯一映射，使得邻域图中具有相似结构角色的节点在向量表示中的位置相似。
• 为了解决这两个问题PATCHY-SAN进行了如下4个步骤的工作：
  1. 从图中选择固定长度的节点序列；
  2. 为所选序列中的每个节点确定一个定大小的邻域；
  3. 对提取的邻域图进行归一化处理；
  4. 从得到的序列中学习卷积神经网络的邻域表示
• 下面分四个部分对这四个步骤进行详细讨论。

3.1.节点序列的挑选

• 节点序列选择是为每个输入图形确定一个节点序列的过程，为该节点序列创建感受野。如算法1所示：
  
  
• 算法1列出了一个这样的过程：
  1. 输入图的顶点根据给定的图进行排序。
  2. 使用给定的步幅s遍历得到的节点序列，并且对于每个被访问的节点，执行算法3来构造感受野，直到创建了正好w个感受野。
• 步幅s确定了在为其创建感受野的大小。如果感受野的节点数小于w，则该算法将以0填充作为补充感受野。
  （感受野可以直观理解为卷积核框定的9个像素，只不过在图卷积中被重新标定了顺序。）

3.2.设置序列近邻

• 算法3首先调用算法2为输入节点组装一个局部邻域。
• 邻域的节点是感受野的候选节点。
• 算法2列出了邻域集合的步骤：
  1. 给定一个节点v和感受野k的大小作为输入，该过程执行广度优先搜索，搜索距离v越来越远的顶点，并将这些顶点添加到集合N中。
  2. 如果收集的节点数小于k，则收集最近添加到N的顶点的距离为1的点，依此类推，直到至少k个顶点在N中，或者直到没有更多的邻居可添加。此时，N的大小可能与k不同。

3.3.图标准化

• 一个节点的感受野是通过对前一步集合的邻域进行归一化来构造的。
• 如图3所示，规范化对邻域图的节点施加一个顺序，以便从无序的图空间映射到线性顺序的向量空间：
  
  其基本思想是利用图标记过程，当且仅当两个不同图在图中的结构角色相似时，将两个不同图的节点分配到相应邻接矩阵中相似的相对位置。
• labeling，也就是给编号，看上去简单，实际上是一件相当复杂的事情。下面就深入到大家最关心的编号（标记）问题：$\ell$函数的创建。
• 令${\mathrm{d}}_{\mathrm{G}}$代表两个含有k个节点的图的距离，${\mathbf{d}}_{\mathbf{A}}$代表两个k*k矩阵的距离，则$\hat{\ell }$可以表达为：
  $$\hat{\ell }=\underset{\ell }{\mathrm{argmin}}{\mathbb{E}}_{\mathcal{G}}\left[\left|{\mathbf{d}}_{\mathbf{A}}\left({\mathbf{A}}^{\ell }(G),{\mathbf{A}}^{\ell }\left(G^{\prime }\right)\right)-{\mathbf{d}}_{\mathbf{G}}\left(G,G^{\prime }\right)\right|\right]$$
  从式子里可以看出，要找到一系列编号，使得多个图之间的距离期望尽量的小，最后得到的编号就是图3当中的编号（妙啊！）。

3.4.卷积工作

• 最后的卷积工作其实就很简单啦，把捣鼓好的图图扔进网络，炼丹就大功告成啦！撒花！

4.论文实验

参考文献

[1] Niepert M, Ahmed M, Kutzkov K. Learning convolutional neural networks for graphs[C]//International conference on machine learning. PMLR, 2016: 2014-2023.