【图神经网络论文整理】（三）—— HOW TO FIND YOUR FRIENDLY NEIGHBORHOOD：SuperGAT

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• ICLR 2021
• Dongkwan Kim & Alice Oh
• 论文地址

本文介绍的论文是《HOW TO FIND YOUR FRIENDLY NEIGHBORHOOD:
GRAPH ATTENTION DESIGN WITH SELF-SUPERVISION》。

该篇论文提出了一个新的网络模型SuperGAT，目的是解决当图中存在噪声能够学习到更多的表达注意力，并且在17个真实数据集中进行实验，显示出该模型更好的性能。

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一、背景

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目前图神经网络已广泛应用于各个领域，例如推荐系统、蛋白质分子、智慧交通等领域，近几年GAT网络架构逐渐脱颖而出，它可以采用自我注意力方式来缓解不相关节点之间连接的噪声问题。

换句话说，图注意力网络能够捕捉图关系的重要性，能够学习每个邻居节点对于中心节点的重要程度，GAT在节点分类等方面表现出了很大的性能改进，但是它在数据集之间的改进程度不一致，而且对图注意力实际学习内容较少。

因此作者提出了一个新的模型SuperGAT，是GAT的一种变体，它是基于GO和点积方式的，即自监督图注意力网络。

二、模型方法

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传统的注意力计算方式如下：

简化计算注意力公式为：

传统的方式GO就是上面公式的第一个，首先通过一个可学习矩阵W分别对中心节点和邻居节点特征进行映射，然后将映射后的特征进行拼接，然后使用另外一个列向量进行点积操作计算得分。

后面的DP方式就是另外一种变体，没有采用 $\alpha$ 这个向量来计算分数，而是将两个映射后的向量进行点积操作计算得分。

作者提出的SuperGAT：

作者提出了SuperGAT的两种方式，第一种就是通过缩放点积方式（SD），就是将DP注意力得分除以特征维度，进行数值缩放，防止一些较大的值在softmax之后占据整个注意力。

第二种是MX混合，它将GO得分与激活后的DP得分进行点积操作计算注意力分数，该种形式的动机来自门控复发单元的门控机制，这可以很柔和地丢弃不太可能链接的邻居，同时隐式地将重要性分配给剩余节点。

三、实验结果

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包括GCN在内的所有模型之间没有差异。如果有超过一定数量的正确边缘，我们可以在没有自我监督的情况下学习精细表示。最重要的是，如果平均程度不太低或太高，且亲同性高于0.2，则SuperGA TMX的表现优于或类似于SuperGA TSD。这意味着我们可以通过混合GO和DP来利用GO注意力来学习标签一致性和DP注意力来学习边缘存在。请注意，许多真实世界的图都属于这一范围的图特征。

合成图上的结果表明，在设计图注意力之前，应该先理解图域。也就是说，通过知道图的平均度和同向性，我们可以在设计空间中选择最佳的图注意力。

四、总结

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作者提出了一种新颖的图神经结构设计，以根据输入图的特征来自我监督图的注意力。

首先评估了什么是图注意力学习，并分析了边缘自我监督对链接预测和节点分类性能的影响。该分析表明，两种广泛使用的注意力机制（原始GAT和点积）难以同时编码标签一致性和边缘存在。

为了解决这个问题，提出了几种平衡这两个因素的图形注意力形式，并认为应该根据输入图形的平均程度和同型性来设计图形注意力。

最终实验表明，该图形注意力网络在各种真实世界数据集上通用，因此根据该模型优于其他基线模型。