PaperNotes(17)-图卷积神经网络GCN-笔记

从图(Graph)到图卷积(Graph Convolution)：漫谈图神经网络模型 (二)(https://www.cnblogs.com/SivilTaram/p/graph_neural_network_2.html)
该文详细写明了设涉及的参考材料，是一个很棒的综述性材料。本文仅作为阅读该系列文章的笔记，详情请参考原文。
参考博文2:稍微简略一些，建议看完《漫谈图神经网络模型 (二）》再去看此文，最终讲到不需要做特征值分解的GCN，有点神奇。
https://blog.csdn.net/qq_41727666/article/details/84622965

此前的图神经网络是基于循环结构，此篇主要介绍基于图卷积神经网络中的卷积操作。

1.卷积是什么

卷积本身是一种数学算子，对两个函数f和g操作，生成第三个函数h。
$$h(t)={\int }_{-\infty }^{\infty }f(\tau )g(t-\tau )d\tau$$

即：新函数在t处的值=f 和g 关于t对称处函数值成绩的和。简单(抽象)地说就是一个加权求和的过程。了解加权求和的核心之后，可以建模出图像上的卷积操作。每一层的卷积核就是一个权重可学习的权值函数$g(\cdot )$。

卷积核的权重可以依据任务确定：实现边缘提取laplacian算子、可依据损失函数学习特定特征提取的权重。

卷积操作的作用：通过结点和周围结点的信息，提取/聚合结点的特征。

小结：在机器学习领域，卷积的具体操作是加权求和，卷积的效果是特征聚合/提取。

2.图卷积的源起

图像卷积操作要求规整的数据结构，图上结点的邻居结点数量不固定。

衍生了两种特征聚合图结点的特征的操作：

1. 把图转换成规整的结构–少数
2. 处理变长邻居结点的卷积核–主流，主要焦点

图卷积又分为空域卷积和频域卷积：

1. 空域卷积–卷积核直接在原图上卷积操作
2. 频域卷积–图做了傅立叶变换之后再进行卷积操作

启发：一种最简单的无参卷积–将所有的邻居结点的隐藏状态加和，以更新当前结点的隐藏状态。

3.空域卷积

3.1消息传递网络MPNN

Massage Passing Neural Network–MPNN，空域卷积的形式化框架。他将空域卷积分解为两个过程：消息传递$M_l(\cdot )$和状态更新$U_l(\cdot )$
$$h_v^{l+1}=U_{l+1}(h_v,\sum _{u\in ne[v]}{M}_{l+1}(h_v^l,h_u^l,x_{uv}))$$
即本结点与邻居结点的信息通过$M_l(\cdot )$形成消息，将所有的消息类和后，然后通过状态更新函数$U_l(\cdot )$更新自己的隐状态。

GCN：每一层包含所有结点，每层的MU参数并不共享，层数由设计确定
GNN：按更新时间序列展开成，各层的MU参数共享，每一次更新所有的结点，按不动点理论，时间序列的长度不定。

MPNN主要缺陷：卷积操作针对整张图，所有结点都要进内存。大规模图上的全图卷积操作并不现实。

3.2 图采样与聚合GraphSage

采样部分结点进行学习，

1. 每一层的消息传递和状态更新不涉及所有结点，随机采样若干个结点。
2. 针对每个结点，随机选取固定数目的邻居结点，（1阶/2阶均可）
3. 定义aggregate函数聚合邻居结点的信息
4. 计算采样点处的损失

GraphSage状态更新公式：
$$h_v^{l+1}=\sigma (W^{l+1}\ast aggregate(h_v^l,\{h_u^l\}),\forall u\in ne[v])$$

GraphSage的设计重点在于aggregate函数的设计上。

4.频域卷积

(理解起来稍微有一点抽象)–利用傅立叶变换在图上的抽象来实现图上卷积操作。
傅立叶变换：将一个在空域上定义的函数分解成频域上的若干频率成分。
$$\hat{f}(t)=\int f(x){\exp }^{-2\pi ixt}dx$$

傅立叶变换恒等式：两个函数在空域上的卷积的效果，等于两函数在频域上的乘积。
$$(f\ast g)(t)=F^{-1}[F[f(t)]\odot F[g(t)]]$$

所以：可以利用傅立叶变换，得到频域表示后，进行哈达玛乘积，再傅立叶逆变换回去，即可得到空域卷积的结果。

傅立叶变换的作用：

1. 去规律的噪点
2. 加速卷积操作（卷积核比较小时没啥加速效果）

利用傅立叶变换实现图上卷积的核心点：如何找到变换算子${\exp }^{-2\pi ixt}$。

依据变换算子是拉普拉斯算子的特征函数这一重要特性，找到图数据拉普拉斯变换算子–拉普拉斯矩阵对应的特征向量。

(频域卷积的前提条件-图是无向图。)
图拉普拉斯矩阵的特征值分解：
$$L=U\Lambda U^T$$
$$U=(u_1,u_2,...,u_n)$$
$$\Lambda =diag({\lambda }_1,{\lambda }_2,...,{\lambda }_n)$$

图结点数据傅立叶变换:$\widehat{(}f)(t)={\sum }_{n=1}^{N}f(n)u_t(n)$ 这个叠加的n是个什么东西？N个结点的信息

整张图的傅立叶变换:$$\hat{f}=\left[\begin{array}{c}\hat{f}(1)\\ ...\\ \hat{f}(N)\end{array}\right]=U^{T}f$$
用神经网络建模卷积核傅立叶变化后的函数，用$g_{\theta }$表示，那么频域卷积可以表示为：
$$g_{\theta }\odot U^{T}f$$

再通过傅立叶逆变换可以求得，最终图上的卷积。(逆变换算子为${\exp }^{2\pi ixt}$，类比图中的逆变换算子为U)：
$$o=(f\ast g{)}_{\theta }=U{g}_{\theta }{U}^{T}f$$

图上频域卷积的工作，都聚焦于$g_{\theta }$的设计。频域卷积，隐状态更新涉及:

1. $l$层隐状态$h^l\in R^{N\ast d_l}$，每一行为该层一个结点的隐藏状态：
   $$h^l=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}^l& h_{12}^l& ...& h_{1d_l}^l\\ ...& & & \\ h_{N1}^l& h_{N2}^l& ...& h_{N{d}_l}^l\end{array}\right]$$
2. 傅立叶变换算子$U^T$,每一行是拉普拉斯矩阵的一个特征向量:
   $$U^T=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& ...& u_{1N}\\ ...& & & \\ u_{N1}& u_{N2}& ...& u_{NN}\end{array}\right]$$
3. 卷积核频域形式$g_{\theta }:d_{l+1}\ast N$,参数化呗,还就是一个权重呀(没说明白怎么作用的呀,后面再看看吧)：
   $$g_{\theta }=\left[\begin{array}{ccc}{\theta }_1& ...& 0\\ ...& ...& ...\\ 0& ...& {\theta }_N\end{array}\right]$$

频域卷积，隐状态更新公式,{:i}表示第i列,$(i=1,...,d_l),(j=1,...,d_{l+1})$：
$$h_{:,j}^{l+1}=\sigma (U\sum _{i=1}^{d_L})g_{\theta }{U}^T{h}_{:,i}^l$$

切比雪夫网络用来加速特征矩阵的求解。

5.图结构的序列化-Patch-SAN

Patch-SAN：将图转化成序列结构，然后利用卷积神经网络在序列化结构上作卷积。
Patch-SAN原文中主要涉及图分类任务。

图结构的特点：

1. 同构
2. 邻居结点的连接关系

图结构-》序列化结构要求
3. 同构图产生的序列应当是相似的
4. 保持邻居结点和目标结点的距离关系

Patch-SAN 通过三个规则来将图转化成一个长度为$w\ast (k+1)$的序列，然后直接使用1D卷积对该序列进行操作。