斯坦福CS224W图机器学习笔记自用：A General Perspective on Graph Neural Networks

1. Recap

Deep Graph Encoders（深度图编码器）

Graph Neural Networks

GNN核心思想：节点的邻域定义了一个计算图

Aggregate from Neighbor

想法：节点使用神经网络聚合来自其邻居的信息

为什么说GNNs泛化了其他神经网络？

因为它定义了置换不变性和等变性的概念。

GNNs VS. CNNs

• CNN 可以看作是具有固定邻居大小和排序的特殊 GNN
  • CNN的滤波器的大小是预定义的
  • GNN 的优点是它能为每个节点处理具有不同度数的任意图
• CNN 不是置换等变的
  • 改变CNN像素的顺序会导致不同的输出

GNNs VS. Transformer

Transformer 是最流行的架构之一，它在许多序列建模任务中实现了出色的性能。它的主要机制是self-attention（自我注意力机制):每个标记/单词都通过矩阵计算处理所有其他标记/单词。
由于每个单词都涉及所有其他单词，因此 Transformer 层的计算图与全连接“单词”图上的 GNN 的计算图相同。Transformer 层可以看作是一个特殊的 GNN，它运行在一个完全连接的“单词”图上。

2. 通用GNN框架

• GNN层 = Message + Aggregation

  • 在这个视角下可以有不同的架构（实例化）
  • 包括GCN, GraphSAGE, GAT, …
  • 这些架构的不同之处在于它们如何定义聚合和消息的概念
    

• 层连通性（Layer connectivity) ：我们如何将GNN层连接起来

  • 可以按顺序堆叠层
  • 也可以添加skip connections
    

• 图增强：如何创建计算图？原始输入图≠计算图

  • 图特征增强
  • 图结构增强
    

• Learning objective

  • 我们如何训练GNN：
    • 监督/非监督目标
    • 节点/边缘/图形级别任务
      总体GNN框架如下：
      

3. 定义GNN的单个层

GNN层 = Message（消息转换） + Aggregation（消息聚合）

不同的图神经网络架构对这两种操作的定义不同。
定义GNN层：将一组向量压缩成一个向量
需要两个步骤：

1. Message
2. Aggregation

3.1 Message Computation

节点第l层的嵌入是l-1层节点自身的信息和l-1层邻居的信息的聚合，并且这些信息的计算顺序对结果没有影响。

3.2 Message Aggregation

想法：每个节点都要从它的邻域聚合信息，聚合函数可以采用求和、平均或求最大值函数。

问题：采用上面的算法来自节点v本身的节点信息可能会丢失，因为$h_v^{(l)}$的计算并不直接依赖于$h_v^{(l-1)}$
解决方法：求解第l层的节点嵌入$h_v^{(l)}$时，把节点v第l-1层的嵌入 $h_v^{(l-1)}$也纳入计算：

• Message：计算消息时也考虑来自节点v本身的信息。
  • 通常，对于来自节点v自身的消息和来自节点v邻域的消息，我们将执行不同的计算过程。
• Aggregation：从邻域聚合信息后，我们将聚合来自自身的信息（串联或求和）。

3.3 Summary: A Single GNN Layer

聚合时我们可以加入节点自身的信息，我们还可以把非线性激活函数加入到消息传递或聚合中，以增强网络的表现力。

3.4 经典图神经网络层

1. GCN

• Message: 将来自邻域的消息和权重矩阵相乘，并用节点度数归一化。
  
• Aggregation：对来自邻居的消息求和，并应用激活函数
  

2. GraphSAGE

Message + Aggregation：

• 消息在$AGG(\cdot )$函数中被计算
• 采用两阶段聚合算法
  • Stage 1: 从节点邻居聚合
    
  • Stage 2: 进一步聚合节点本身的信息
    总过程如下：
    

GraphSAGE与GCN的区别：

1. 可以采用任意的聚合函数$AGG(\cdot )$
2. 从节点本身获取信息，并对其进行转换，然后将其与聚集的信息连接起来

GraphSAGE Neighbor Aggregation：

可以选择不同的聚合函数：

• Mean：取邻居的加权平均值
  
• 池化：变换邻域信息向量（多层感知机）并应用对称向量函数$Mean(\cdot )$或$Max(\cdot )$ ，
  
• LSTM：将序列模型LSTM应用于重新排序的邻居（训练模型忽略邻居节点的顺序）
  

GraphSAGE：L2 Normalization

• 对GraphSAGE的每一层嵌入应用 $L_2$ 正则化
  • $h_v\leftarrow \frac{h_v^{(l)}}{||h_v^{(l)}|{|}_2}\forall v\in V$ ，其中 $||u|{|}_2=\sqrt{{\sum }_i{u}_i^2}$
  • 如果不用L2正则化，不同的嵌入向量会有不同的模长，不同的比例
  • 在某些情况下（并非总是），嵌入的规范化会提升性能
  • L2归一化后，所有的向量都将具有相同的$l_2-norm$，相同的长度1。

3. GAT

图注意力网络：

在GCN或GraphSAGE中，

• ${\alpha }_{vu}=\frac{1}{|N(v)|}$，是节点 u 的消息对节点 v 的权重因子（重要性）
• ${\alpha }_{vu}$是根据图的结构属性（节点度）显式定义的
• 所有邻居$u\in N(v)$对节点v都是同等重要的
  然而在图注意力网络中，并非所有节点的邻居都同等重要
• 注意力受到认知注意力的启发
• 注意力${\alpha }_{vu}$专注于输入数据的重要部分而忽略其余部分。
  • 理念：神经网络应该在数据的那个小而重要的部分上投入更多的计算能力
  • 数据的哪一部分更重要取决于上下文，是通过训练学习的

GAT（图注意力网络）
目标：指定图中每个节点的不同邻居的任意重要性
理念：按照注意力策略计算图中每个节点的嵌入$h_v^{(l)}$，为邻域中的不同节点隐式指定不同的权重

注意力机制：

• 让${\alpha }_{vu}$作为注意力机制a的副产品被计算出来
  • (1) a 根据节点 u,v 的信息，计算各对节点的注意力系数$e_{vu}$, $e_{vu}$表示节点u的信息对节点v的重要性。
  • 将$e_{vu}$归一化为最后的注意力权重${\alpha }_{vu}$
    - 我们使用softmax函数，这样所有权重的和为1：${\sum }_{u\in N(v)}{\alpha }_{vu}=1$
  • 基于最终注意力权重${\alpha }_{vu}$的加权和:
• 注意力机制 a 的形式
  • 注意力机制的形式与注意力机制 a 的选择无关
    • 例如，我们使用一个简单的单层神经网络
      • a具有可训练的参数（线性层中的权重）
  • a 的参数是联合训练的
    -以端到端的方式学习注意力机制的参数和权重矩阵（即神经网络 $W^{(l)}$ 的其他参数）
• 多头注意力机制 ( Multi-head) ：可以稳定注意力机制的学习过程
  • 创建多个注意力分数（每个副本具有不同的参数集）
  • 然后再将输出汇总：
    • 串联或求和
      我们随机初始化${\alpha }_{vu}^1,{\alpha }_{vu}^2,{\alpha }_{vu}^3$这三个参数, 并采用不同的函数进行训练，最后这三个数都会收敛到一个局部最小值，但是由于我们使用了多个注意力头，我们将它们的转化平均在一起，这会使得我们的模型更加健壮，而不致于卡在优化空间的某些怪异点。

注意力机制的好处 （不太能理解，看一下这个模型的代码后再回来看一下）：

• 核心优势：允许（隐式地）为不同的邻居指定不同的重要性值( ${\alpha }_{vu})$
• 计算效率高
  • 注意力系数的计算可以在图的所有边上并行化
  • 聚合可以在所有节点上并行化
• 储存效率高
  • 稀疏矩阵运算不需要存储超过$O(V+E)$的实体
  • 固定数量的参数，与图大小无关
• 注意力机制是局部的
  • 只有本地网络社区参与
• 归约能力（Inductive capability）
  • 一种共享的边缘机制
  • 不依赖于全局图结构

4. 实践中的 GNN 层

• 在实践中，这些经典的 GNN 层是一个很好的起点：
  • 通常可以通过考虑通用的 GNN 层设计来获得更好的性能
  • 具体来说，我们可以包括现代深度学习模块，这些模块被证明在许多领域都很有用。
• 许多现代深度学习模块可以合并到 GNN 层中，例如：
  1. 批量标准化（Batch Normalization）：可以稳定神经网络的训练过程
  2. Dropout：避免过拟合
  3. 注意力或门控机制（Attention/Gating）：可以控制消息的重要性
  4. 以及其他任何有用的深度学习模块

4.1 批量归一化

目标：稳定神经网络训练过程

核心思想：给定一批输入（节点嵌入）

• Re-center：使节点嵌入的均值为0
• Re-scale：使节点嵌入的方差为1

步骤：

• step1：计算N个嵌入的均值和方差
• step2：使用计算出的平均值和方差对特征进行归一化处理
  

4.2 Dropout

目标：对神经网络进行规范化处理以防止过度拟合。
想法：

• 在训练期间，以一定的概率p，随机将神经元设置为零（关闭）
• 在测试期间：使用所有神经元进行计算
  这样，我们可以使神经网络模型对噪音有更强的抵抗力，防止其过度拟合。
  在 GNN 中，Dropout 应用于消息函数中的线性层：
• 一个带有线性层的简单消息函数如下：
  $$m_u^{(l)}=W^{(l)}{h}_u^{l-1}$$
  

4.3 激活函数（非线性）

将激活应用于嵌入$x$的第$i$维：

总结：现代深度学习模块可以包含在 GNN 层中以获得更好的性能，设计新颖的 GNN 层仍然是一个活跃的研究前沿，您可以探索不同的 GNN 设计或在 GraphGym 中尝试自己的想法。

5. GNN层间的堆叠

5.1 如何将 GNN 层连接成 GNN？

• 按顺序堆叠层
• 添加skip连接的方法
  
  如何构建图神经网络？
• 标准方式：按顺序堆叠 GNN 层
• 输入：初始原始节点特征$x_v$
• 输出：节点嵌入$h_v^{(L)}$在 K 个 GNN 层之后

5.2 过度平滑问题

过度平滑问题：堆叠许多 GNN 层会造成过度平滑问题，即所有节点嵌入收敛到相同的值，这导致我们不能使用节点嵌入来区分节点。

5.2.1 为什么会出现过度平滑问题：

• 感受野：节点v的感受野就是决定节点v的最终嵌入的一组节点
  在 K 层 GNN 中，每个节点都有一个K-跳邻域的感受野
  
• 两个节点的感受场重叠：当我们增加跳数（GNN层的数量）时，共享邻居迅速增长
• 我们可以通过感受野的概念来解释过度平滑的问题：
  • 一个节点的嵌入是由它的感受野决定的
  • 如果两个节点具有高度重叠的感受野，那么它们的嵌入高度相似
  • 逻辑链：堆叠许多 GNN 层 -> 节点将具有高度重叠的感受野 -> 节点嵌入将高度相似 -> 遭受过平滑问题

5.2.2 如何解决过平滑问题？：设计 GNN 层连接性（Connectivity）

1. 尽量少添加 GNN 层时，并提高GNN层的表达能力

• 与其他领域的神经网络（用于图像分类的 CNN）不同， GNN 层并不是越多越好
• Step 1：分析解决问题所必要的感受野。例如，通过计算图的直径
• Step 2：将 GNN 层数 L 设置为比我们喜欢的感受野多一点，但不是没必要的大

GNN层数变少了，那我们如何提高浅层 GNN 的表达能力呢？

• 方法1：提高每个GNN层内的表达能力
  • 在我们之前的例子中，每个转换或聚合函数只包括一个线性层
  • 我们可以增加层数，使聚合/转换成为一个深度神经网络，在下图中，消息转换和消息聚合操作都可以包含一个三层的感知机：
    
• 方法2：添加不传递信息的层
  • 一个GNN不一定只包含GNN层 ，例如，我们可以在GNN层之前和之后添加MLP层（应用于每个节点），作为前处理层和后处理层
    • 前处理层：当有必要对节点特征进行编码时非常重要。例如，当节点为图像/文本时
    • 后处理层：当需要对节点嵌入进行推理/转换时非常重要 ，例如，图分类、知识图等
    • 实践证明，添加这些层的效果很好

2. 在GNNs中添加skip connections

如果分析了感受野之后，发现问题仍然需要许多GNN层，那我们如果解决多层GNN的过平滑问题呢？
解决方案：使用跳转链接（skip connections）。
Veit et al. Residual Networks Behave Like Ensembles of Relatively Shallow Networks, ArXiv 2016

• 从过度平滑中观察到：早期GNN层中的节点嵌入有时可以更好地区分节点
• 解决方案：我们可以通过在GNN中添加捷径（shortcuts) 来增加早期层对最终节点嵌入的影响

为什么跳转连接能起作用呢？

• 直觉：跳转链接创造了一个混合模型
• N个跳转链接就会有$2^N$次方个可能的路径
• 每条路径最多可以有N个模块
• 我们自动得到一个浅层GNN和深层GNN的混合模型
  

Example: GCN with Skip Connections

另一种类型的跳转链接：直接跳到最后一层，最后一层直接聚合了前几层的所有节点嵌入。