【图神经网络论文整理】（二）—— HOW ATTENTIVE ARE GRAPH ATTENTION NETWORKS?：GATv2

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• ICLR 2022
• Shaked Brody（Technion）， Eran Yahav（Technion）Uri Alon（Language Technologies InstituteCarnegie Mellon University）
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本文介绍的论文《HOW ATTENTIVE ARE GRAPH ATTENTION NETWORKS?》。

作者改进了GAT网络在图数据上的注意力的局限性，提出了GATv2模型将原始的静态注意力调整成动态注意力机制，并在许多开源数据验证了改进后模型的有效性。

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一、背景

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图注意力网络GATs是目前较为流行的GNN架构，在GAT中每个节点可以看成一个查询向量Q，该节点的邻居可以看成键向量K，然后基于Q和K计算对应的注意力分数，也可以说成是权重系数，然后利用该权重对该节点的邻居进行加权求和聚合操作，作为该节点新的表示向量。

但是这篇文章作者发现GAT计算的注意力表示能力非常有限，注意力得分排名不受查询节点的影响，作者将这种注意力定义为静态注意力。

静态注意力：

• 对于一组key向量，使用不同的查询向量query计算注意力分数时，得到的注意力分数大小相对不变，也就是任何节点q进行查询时，都对某个节点的注意力分数最大。
• F是一个注意力系数计算函数族，对于任意 $f\in F$，任意 $q_i\in Q$，存在 $k_j\in K$，使得 $f(q_i,k_j)\ge f(q_i,k_{else})$

动态注意力：

• 那么动态注意力就是与静态相反，使用不同的q查询时，得到的注意力分数会相对变化。
• F是一个注意力系数计算函数族，对于任意 $q_i\in Q$，任意 $k_{a}ny\in K$，存在 $f\in F$，使得 $f(q_i,k_{any})\ge f(q_i,k_{else})$

由上面图可以看出，第一幅图就是静态注意力，第二幅图是动态注意力。

第一幅图中每个查询节点q对【k0,k1…k9】计算注意力分数时，都是k8的注意力分数最大，也就是无论q是什么，k8的贡献都是相对最大的，为了解决这个问题，作者提出了GATv2来使用动态注意力。

二、模型方法

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作者的改进措施很简单，就是修改了GAT中的计算顺序。

在GAT中，是分别将节点特征使用 $W$ 进行映射到新的空间，然后将新的向量进行拼接，然后使用 $\alpha$ 进行内积操作，最后使用 $LeakyReLU$ 激活函数进行激活，随后使用 $softmax$ 操作进行归一化。

在GATv2中，作者是先将节点特征向量进行拼接，然后使用 $W$ 进行映射，然后使用激活函数进行激活，最后使用 $\alpha$ 做内积操作计算得分。

GATv2网络操作：

GAT网络操作

三、实验结果

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作者使用一个简单的综合问题证明了GA T的弱点，即GAT甚至无法拟合简易数据，但很容易通过GATv2解决。其次，发现GATv2对边缘噪声更为鲁棒，因为它的动态注意力机制允许它衰减有噪声边缘，而GAT的性能随着噪声的增加而严重降低。最后，在12个基准测试中比较了GAT和GATv2。

引入多头注意力的作用是稳定学习过程，然而上图显示，增加头部的数量严格地提高了训练的准确性，从而提高了表现力。因此，遗传算法依赖于具有多个注意力头部。相比之下，即使是单个GATv2头也比多头GAT具有更好的通用性。

作者又进一步比较了OGB的四个节点预测数据集上的GATv2、GAT和其他GNN。

四、总结

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在本文中，作者发现广泛的图注意力网络不计算动态注意力。相反，GAT的标准定义和实现中的注意力机制只是静态的：对于任何查询，其邻居得分相对于每个节点得分都是单调的。因此，GAT甚至不能表达简单的对齐问题。

为了解决这一局限性，该作者引入了一个简单的修复方法，并提出了GATv2：通过修改GAT中的操作顺序，GATv2实现了一个通用的近似注意力函数，因此比GAT更强大。