2、图机器学习——Graph Embedding

Graph Embedding

DeepWalk

DeepWalk方法首先以随机游走（Random Walk）的方式在网络中进行节点采样，生成序列，然后使用Skip-Gram模型将序列转换为Embedding。首先使用Random Walk的方式进行节点采样。Random Walk是一种可重复访问已访问节点的深度优先遍历算法。然后给定当前访问起始节点，从其邻居中随机选择一个节点作为下一个访问节点，重复此过程，直到访问序列长度满足预设条件。获取足够数量的节点访问序列后，使用Skip-Gram模型进行向量学习，最终获得每个节点的Embedding



DeepWalk方法的优点首先是它可以按需生成，随机游走。由于Skip-Gram模型也针对每个样本进行了优化，因此随机游走和Skip-Gram的组合使DeepWalk成为在线算法。其次，DeepWalk是可扩展的，生成随机游走和优化Skip-Gram模型的过程都是高效且平凡的并行化。最重要的是，DeepWalk引入了深度学习图形的范例。用Skip-Gram方法对网络中节点进行训练。那么，根据Skip-Gram的实现原理，最重要的就是定义Context，也就是Neighborhood。在自然语言处理中，Neighborhood是当前Word周围的字，DeepWalk用随机游走得到Graph或者Network中节点的Neighborhood

LINE（Large-scale Information Network Embedding）

DeepWalk只适用无向、无权重的图。在2015年，微软亚洲研究院发布了LINE（Large-scale Information Network Embedding，大型信息网络嵌入）。LINE使用边采样方法克服了传统的随机梯度法容易出现的Node Embedding聚集问题，同时提高了最后结果的效率和效果



1阶相似度用于描述图中成对顶点之间的局部相似度，形式化描述为若image.png之间存在直连边，则边权image.png即为两个顶点的相似度，若不存在直连边，则1阶相似度为0。如上图，6和7之间存在直连边，且边权较大，则认为两者相似且1阶相似度较高，而5和6之间不存在直连边，则两者间1阶相似度为0。

仅有1阶相似度就够了吗？显然不够，如上图，虽然5和6之间不存在直连边，但是他们有很多相同的邻居顶点(1,2,3,4)，这其实也可以表明5和6是相似的，而2阶相似度就是用来描述这种关系的。形式化定义为，令
表示顶点与所有其他顶点间的1阶相似度，则与的2阶相似度可以通过和的相似度表示。若与之间不存在相同的邻居顶点，则2阶相似度为0

node2vec

2016年出现的node2vec，node2vec的思想同DeepWalk一样，生成随机游走，对随机游走采样得到（节点，上下文）的组合，然后用处理词向量的方法对这样的组合建模得到网络节点的表示。不过在生成随机游走过程中做了一些创新，node2vec改进了DeepWalk中随机游走的生成方式(通过调整随机游走权重的方法使graph embedding的结果在网络的同质性（homophily）和结构性（structural equivalence）中进行权衡)，使得生成的随机游走可以反映深度优先和广度优先两种采样的特性，从而提高网络嵌入的效果。

网络的“同质性”指的是距离相近节点的embedding应该尽量近似，如图，节点u与其相连的节点s1、s2、s3、s4的embedding表达应该是接近的，这就是“同质性“的体现。

网络的“结构性”指的是结构上相似的节点的embedding应该尽量接近，图中节点u和节点s6都是各自局域网络的中心节点，结构上相似，其embedding的表达也应该近似，这是“结构性”的体现

node2vec的主要创新点通过改进游走方式

• 深度优先游走DFS
• 广度优先搜索BFS

就如上图的标注所示，深度优先游走策略将会限制游走序列中出现重复的结点，防止游走掉头，促进游走向更远的地方进行。而广度优先游走策略相反将会促进游走不断的回头，去访问上一步结点的其他邻居结点。这样一来，当使用广度优先策略时，游走将会在一个社区内长时间停留，使得一个社区内的结点互相成为context，这也就达到了第一条优化目标。相反，当使用深度优先的策略的时候，游走很难在同一个社区内停留，也就达到了第二条优化目标

参数p、q的意义分别如下：

返回概率p：

• 如果 p > max(q,1) p>max(q,1) p>max(q,1) ，那么采样会尽量不往回走，对应上图的情况，就是下一个节点不太可能是上一个节点t。
• 如果 p < max( q,1) p

出入参数q：

• 如果 q > 1 q>1 q>1，那么游走会倾向于在起始点周围的节点之间跑，可以反映出一个节点的BFS特性。
• 如果 q < 1 q<1 q<1 ，那么游走会倾向于往远处跑，反映出DFS特性。

当p=1，q=1时，游走方式就等同于DeepWalk中的随机游走

Struc2vec

Struc2vec适用于节点分类中，其结构标识比邻居标识更重要

SDNE（Structural Deep Network Embedding）

总结