【图卷积网络】Graph Convolutional Network

1. 图卷积网络

1.1. 为什么会出现图卷积网络

普通卷积神经网络研究的对象是具备Euclidean domains的数据，Euclidean domains data数据最显著的特征是他们具有规则的空间结构，如图片是规则的正方形，语音是规则的一维序列等，这些特征都可以用一维或二维的矩阵来表示，卷积神经网络处理起来比较高效。

然而，现实生活中很多数据不具备规则的空间结构，称为Non Euclidean data，如，推荐系统、电子交易、分子结构等抽象出来的图谱。这些图谱中的每个节点连接不尽相同，有的节点有三个连接，有的节点只有一个连接，是不规则的结构。对于这些不规则的数据对象，普通卷积网络的效果不尽人意。CNN卷积操作配合pooling等在结构规则的图像等数据上效果显著，但是如果作者考虑非欧氏空间比如图(即graph，流形也是典型的非欧结构，这里作者只考虑图)，就难以选取固定的卷积核来适应整个图的不规则性，如邻居节点数量的不确定和节点顺序的不确定。${}^4$

这里的理解就是，数据的组织形式不同，催生出了图卷积神经网路。如果现实生活中都是规则的数据，普通的卷积神经网络就足够胜任。

总结一下，图数据中的空间特征具有以下特点：
1） 节点特征：每个节点有自己的特征；（体现在点上）
2） 结构特征：图数据中的每个节点具有结构特征，即节点与节点存在一定的联系。（体现在边上）
总地来说，图数据既要考虑节点信息，也要考虑结构信息，图卷积神经网络就可以自动化地既学习节点特征，又能学习节点与节点之间的关联信息。

综上所述，GCN是要为除CV、NLP之外的任务提供一种处理、研究的模型。
图卷积的核心思想是利用『边的信息』对『节点信息』进行『聚合』从而生成新的『节点表示』。

1.2. 图卷积网络的两个方向

• vertex domain(spatial domain)：顶点域（空间域）
• spectral domain：频域方法（谱方法）

2. 图卷积网络的推导

已有很多优秀的博客对图卷积神经网络的理论进行了严密的推导，在这里我就作为一个学习记录，记录自己的疑问的地方，想要读详细推导的，请移步参考文献。

以下是对一阶ChebNet（1stChebNet）-GCN的记录：

$${\mathbf{H}}^{(l+1)}=f({\mathbf{H}}^{(l)},\mathbf{A})=\sigma ({\mathbf{D}}^{-\frac{1}{2}}\mathbf{A}{\mathbf{D}}^{-\frac{1}{2}}{\mathbf{H}}^{(l)}{\mathbf{W}}^{(l)})\text{\hspace{1em}(1)}$$

• ${\mathbf{H}}^{(l)},{\mathbf{H}}^{(l+1)}$ 分别表示第$l$层网络的输入和输出。
• $f$ 相当于$l$层拟合的函数，函数的输入参数是${\mathbf{H}}^{(l)},\mathbf{A}$，其中$\mathbf{A}$表示图的邻接矩阵。
• $\sigma$指任意一种激活函数，一般来说表示的是$\text{sigmod}$。
• $\mathbf{A}=\mathbf{A}+\lambda {\mathbf{I}}_N$, 相当于加上了自环，$\lambda$表示一个权重分配，一般情况下默认$\lambda =1$。
• ${\mathbf{D}}_{ij}={\sum }_j{\mathbf{A}}_{ij}$，相当于对新的邻接矩阵$\mathbf{A}$重新计算度矩阵（degree matrix）。
• ${\mathbf{D}}^{-\frac{1}{2}}\mathbf{A}{\mathbf{D}}^{-\frac{1}{2}}$ 这整个部分其实就是对行以及列的平均。
• ${\mathbf{W}}^{(l)}$ 表示的是$l$层的网络参数，训练网络本质上就是反向传播更新网络参数。

3. 图卷积网络代码实现

代码Github地址
本次阅读的代码使用的是pytorch。
代码入口是pygcn/train.py

3.1. argparse

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                    help='Disables CUDA training.')
parser.add_argument('--fastmode', action='store_true', default=False,
                    help='Validate during training pass.')
parser.add_argument('--seed', type=int, default=42, help='Random seed.')
parser.add_argument('--epochs', type=int, default=200,
                    help='Number of epochs to train.')
parser.add_argument('--lr', type=float, default=0.01,
                    help='Initial learning rate.')
parser.add_argument('--weight_decay', type=float, default=5e-4,
                    help='Weight decay (L2 loss on parameters).')
parser.add_argument('--hidden', type=int, default=16,
                    help='Number of hidden units.')
parser.add_argument('--dropout', type=float, default=0.5,
                    help='Dropout rate (1 - keep probability).')

args = parser.parse_args()

argparse参考
这整段代码表示的是可以从命令行窗口获取超参数，可以注意的是都是可选参数，而且有默认值，所以是可以直接运行的。

3.1. Cora数据集

• cora.content
  每行代表一个样本，一行由三部分组成，论文编号，论文单词向量（1433个独特的单词，0代表否，1代表是），论文类别（7类）。[2708,1435]，表示有2708个样本，每个样本有1435个特征。
• cora.cites
  cora.cites 共有 5429 行，每一行有两个论文编号，表示第一个论文先写，第二个论文引用第一个论文。如果将论文看做图中的点，那么这5429行便是点之间的5429条边。

3.2. numpy

# 返回指定长度的标识数组
#  >>> np.identity(3)
#    array([[1.,  0.,  0.],
#           [0.,  1.,  0.],
#           [0.,  0.,  1.]])
np.identity(num)

# 构造对称的邻接矩阵
adj = adj + adj.T.multiply(adj.T > adj) - adj.multiply(adj.T > adj)

不得不说大佬的代码写的是真滴优雅。对称矩阵的逆矩阵与自身相等，上述代码就是利用这个原理实现构建堆成矩阵。
疑问：引文网络按理来说应该是个有向图，即两篇文章不一定会相互应用，这里强行表示为无向图是否有问题。

参考文献：

1. GCN图卷积网络入门详解
2. 图卷积网络 GCN Graph Convolutional Network（谱域GCN）的理解和详细推导
3. StellaGraph
4. 图卷积网络 Graph Convolutional Network（GCN）的理解和详细推导
5. pygcn