图神经网络（GNN）基本知识（DeepWalk 、GraphSage）
【导读】图神经网络(GNN)在各个领域越来越受欢迎，本文介绍了图神经网络的基本知识，以及两种更高级的算法：DeepWalk和GraphSage。
最近，图神经网络 (GNN) 在各个领域越来越受到欢迎，包括社交网络、知识图谱、推荐系统，甚至生命科学。
GNN 在对图形中节点间的依赖关系进行建模方面能力强大，使得图分析相关的研究领域取得了突破性进展。本文旨在介绍图神经网络的基本知识，以及两种更高级的算法：DeepWalk 和 GraphSage。
图 (Graph)
在讨论 GNN 之前，让我们先了解一下什么是图 (Graph)。在计算机科学中，图是由两个部件组成的一种数据结构：顶点 (vertices) 和边 (edges)。一个图 G 可以用它包含的顶点 V 和边 E 的集合来描述。
边可以是有向的或无向的，这取决于顶点之间是否存在方向依赖关系。
一个有向的图 (wiki)
顶点通常也被称为节点 (nodes)。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在图结构上运行的神经网络。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，我们的目的是预测没有 ground-truth 的节点的标签。
本节将描述 The graph neural network model (Scarselli, F., et al., 2009) [1] 这篇论文中的算法，这是第一次提出 GNN 的论文，因此通常被认为是原始 GNN。
在节点分类问题设置中，每个节点 v 的特征 x_v 与一个 ground-truth 标签 t_v 相关联。给定一个部分标记的 graph G，目标是利用这些标记的节点来预测未标记的节点的标签。它学习用包含邻域信息的 d 维向量 h_v 表示每个节点。即：
其中 x_co[v] 表示与 v 相连的边的特征，h_ne[v] 表示 v 相邻节点的嵌入（embedding），x_ne[v] 表示v 相邻节点的特征。函数 f 是将这些输入映射到 d 维空间上的过渡函数。由于我们要寻找 h_v 的唯一解，我们可以应用 Banach 不动点定理，将上面的方程重写为一个迭代更新过程。
通过将状态 h_v 和特性 x_v 传递给输出函数 g，从而计算 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 loss 可以直接表述为：
可以通过梯度下降进行优化。
然而，原始 GNN 存在三个主要局限性：
- 如果放宽 “不动点” (fixed point)的假设，那么可以利用多层感知器学习更稳定的表示，并删除迭代更新过程。这是因为，在原始论文中，不同的迭代使用转换函数 f 的相同参数，而 MLP 的不同层中的不同参数允许分层特征提取。
- 它不能处理边缘信息 (例如，知识图中的不同边缘可能表示节点之间的不同关系)
- 不动点会阻碍节点分布的多样性，不适合学习表示节点。
为了解决上述问题，研究人员已经提出了几个 GNN 的变体。不过，它们不是本文的重点。
DeepWalk：第一个无监督学习节点嵌入的算法
DeepWalk [2] 是第一个提出以无监督的方式学习节点嵌入的算法。
它在训练过程中非常类似于词汇嵌入。其动机是 graph 中节点和语料库中单词的分布都遵循幂律，如下图所示：
该算法包含两个步骤：
- 在 graph 中的节点上执行 random walks，以生成节点序列
- 运行 skip-gram，根据步骤 1 中生成的节点序列，学习每个节点的嵌入
在 random walks 的每个时间步骤中，下一个节点从上一个节点的邻节点均匀采样。然后将每个序列截断为长度为 2|w| + 1 的子序列，其中 w 表示 skip-gram 中的窗口大小。
本文采用 hierarchical softmax 来解决由于节点数量庞大而导致的 softmax 计算成本高昂的问题。为了计算每个单独输出元素的 softmax 值 , 我们必须计算元素 k 的所有 e ^ xk。
Softmax 的定义
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。
分层 softmax 利用二叉树来处理这个问题。在这个二叉树中，所有的叶子 (下图中的 v1, v2，…v8) 都表示 graph 中的顶点。在每个内部节点中，都有一个二元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叶节点 v_k 路径上每一个子路径的概率。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为 1的特性在分层 softmax 中仍然保持不变。由于二叉树的最长路径是 O(log(n))，其中 n表示叶节点的数量，因此一个元素的计算时间现在减少到 O(log|V|)。
Hierarchical Softmax
在训练完 DeepWalk GNN 之后，模型已经学习了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的不同标签。我们可以看到，在输出图 (2 维嵌入) 中，具有相同标签的节点被聚集在一起，而具有不同标签的大多数节点都被正确地分开了。
然而，DeepWalk 的主要问题是缺乏泛化能力。每当一个新节点出现时，它必须重新训练模型以表示这个节点。因此，这种 GNN 不适用于图中节点不断变化的动态图。
GraphSage：学习每个节点的嵌入
GraphSage 提供了解决上述问题的办法，以一种归纳的方式学习每个节点的嵌入。
具体地说，GraphSage 每个节点由其邻域的聚合 (aggregation) 表示。因此，即使图中出现了在训练过程中没有看到的新节点，它仍然可以用它的邻近节点来恰当地表示。
下面是 GraphSage算法：
外层循环表示更新迭代的数量，而 h ^ k_v 表示更新迭代 k 时节点 v 的潜在向量。在每次更新迭代时，h ^ k_v 的更新基于一个聚合函数、前一次迭代中 v 和 v 的邻域的潜在向量，以及权重矩阵 W ^ k。
论文中提出了三种聚合函数：
- Mean aggregator：
mean aggregator 取一个节点及其所有邻域的潜在向量的平均值。
与原始方程相比，它删除了上面伪代码中第 5 行中的连接运算。这种运算可以看作是一种 “skip-connection”，在论文后面的部分中，证明了这在很大程度上可以提高模型的性能。
- LSTM aggregator：
由于图中的节点没有任何顺序，因此它们通过对这些节点进行排列来随机分配顺序。
- Pooling aggregator：
这个运算符在相邻集上执行一个 element-wise 的 pooling 函数。下面是一个 max-pooling 的示例：
论文使用 max-pooling 作为默认的聚合函数。
损失函数定义如下：
其中 u 和 v 在固定长度的 random walk 中共存，而 v_n 是不与 u 共存的负样本。这种损失函数鼓励距离较近的节点具有相似的嵌入，而距离较远的节点则在投影空间中被分离。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，可以为看不见的节点生成可表示的嵌入。它允许将节点嵌入应用到涉及动态图的域，其中图的结构是不断变化的。例如，Pinterest 采用了GraphSage 的扩展版本 PinSage 作为其内容发现系统的核心。
总结
本文中，我们学习了图神经网络、DeepWalk 和 GraphSage 的基础知识。GNN 在复杂图结构建模方面的强大功能确实令人惊叹。鉴于其有效性，我相信在不久的将来，GNN将在 AI 的发展中发挥重要作用。
参考：
[1] Scarselli, Franco, et al. "The graph neural network model.”
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.1015.7227&rep=rep1&type=pdf
[2] Perozzi, Bryan, Rami Al-Rfou, and Steven Skiena. "Deepwalk: Online learning of social representations.”
http://www.perozzi.net/publications/14_kdd_deepwalk.pdf
[3] Hamilton, Will, Zhitao Ying, and Jure Leskovec. "Inductive representation learning on large graphs.”
https://www-cs-faculty.stanford.edu/people/jure/pubs/graphsage-nips17.pdf
https://www.toutiao.com/a6657732617623831051/