GraphSAGE 是 17 年的文章了,但是一直在工业界受到重视,最主要的就是它论文名字中的两个关键词:inductive 和 large graph。今天我们就梳理一下这篇文章的核心思路,和一些容易被忽视的细节。
大家先想想图为什么这么火,主要有这么几点原因,图的数据来源丰富,图包含的信息多。所以现在都在考虑如何更好的使用图的信息。
那么我们用图需要做到什么呢?最核心的就是利用图的结构信息,为每个 node 学到一个合适的 embedding vector。只要有了合适的 embedding 的结果,接下来无论做什么工作,我们就可以直接拿去套模型了。
在 GraphSAGE 之前,主要的方法有 DeepWalk,GCN 这些,但是不足在于需要对全图进行学习。而且是以 transductive learning 为主,也就是说需要在训练的时候,图就已经包含了要预测的节点。
考虑到实际应用中,图的结构会频繁变化,在最终的预测阶段,可能会往图中新添加一些节点。那么该怎么办呢?GraphSAGE 就是为此而提出的,它的核心思路其实就是它的名字 GraphSAGE = Graph Sample Aggregate。也就是说对图进行 sample 和 aggregate。
我们提到了 sample 和 aggregate,具体指的是什么呢?这个步骤如何进行?为什么它可以应用到大规模的图上?接下来就为大家用通俗易懂的语言描述清楚。
顾名思义,sample 就是选一些点出来,aggregate 就是再把它们的信息聚合起来。那么整个流程怎么走?看下面这张图:
我们在第一幅图上先学习 sample 的过程。假如我有一张这样的图,需要对最中心的节点进行 mebedding 的更新,先从它的邻居中选择 S1 个(这里的例子中是选择 3 个)节点,假如 K=2,那么我们对第 2 层再进行采样,也就是对刚才选择的 S1 个邻居再选择它们的邻居。
在第二幅图上,我们就可以看到对于聚合的操作,也就是说先拿邻居的邻居来更新邻居的信息,再用更新后的邻居的信息来更新目标节点(也就是中间的红色点)的信息。听起来可能稍微有点啰嗦,但是思路上并不绕,大家仔细梳理一下就明白了。
第三幅图中,如果我们要预测一个未知节点的信息,只需要用它的邻居们来进行预测就可以了。
我们再梳理一下这个思路:如果我想知道小明是一个什么性格的人,我去找几个他关系好的小伙伴观察一下,然后我为了进一步确认,我再去选择他的小伙伴们的其他小伙伴,再观察一下。也就是说,通过小明的小伙伴们的小伙伴,来判断小明的小伙伴们是哪一类人,然后再根据他的小伙伴们,我就可以粗略的得知,小明是哪一类性格的人了。
现在我们知道了 GraphSAGE 的基本思路,可能小伙伴们还有一些困惑:单个节点的思路是这样子,那么整体的训练过程该怎么进行呢?至今也没有告诉我们 GraphSAGE 为什么可以应用在大规模的图上,为什么是 inductive 的呢?
接下来我们就补充一下 GraphSAGE 的训练过程,以及在这个过程它有哪些优势。
首先是考虑到我们要从初始特征开始,一层一层的做 embedding 的更新,我们该如何知道自己需要对哪些点进行聚合呢?应用前面提到的 sample 的思路,具体的方法来看一看算法:
首先看算法的第 2-7 行,其实就是一个 sample 的过程,并且将 sample 的结果保存到 B 中。接下来的 9-15 行,就是一个 aggregate 的过程,按照前面 sample 的结果,将对应的邻居信息 aggregate 到目标节点上来。
细心的小伙伴肯定发现了 sample 的过程是从 K 到 1 的(看第 2 行),而 aggregate 的过程是从 1 到 K 的(第 9 行)。这个道理很明显,采样的时候,我们先从整张图选择自己要给哪些节点 embedding,然后对这些节点的邻居进行采样,并且逐渐采样到远一点的邻居上。
但是在聚合时,肯定先从最远处的邻居上开始进行聚合,最后第 K 层的时候,才能聚合到目标节点上来。这就是 GraphSAGE 的完整思路。
那么需要思考一下的是,这么简单的思路其中有哪些奥妙呢?
首先是为什么要提出 GraphSAGE 呢?其实最主要的是 inductive learning 这一点。这两天在几个讨论群同时看到有同学对 transductive learning 和 inductive learning 有一些讨论,总体来说,inductive learning 无疑是可以在测试时,对新加入的内容进行推理的。
因此,GraphSAGE 的一大优点就是,训练好了以后,可以对新加入图网络中的节点也进行推理,这在实际场景的应用中是非常重要的。
另一方面,在图网络的运用中,往往是数据集都非常大,因此 mini batch 的能力就非常重要了。但是正因为 GraphSAGE 的思路,我们只需要对自己采样的数据进行聚合,无需考虑其它节点。每个 batch 可以是一批 sample 结果的组合。
再考虑一下聚合函数的部分,这里训练的结果中,聚合函数占很大的重要性。关于聚合函数的选择有两个条件:
首先要可导,因为要反向传递来训练目标的聚合函数参数;
其次是对称,这里的对称指的是对输入不敏感,因为我们在聚合的时候,图中的节点关系并没有顺序上的特征。
所以在作者原文中选择的都是诸如 Mean,max pooling 之类的聚合器,虽然作者也使用了 LSTM,但是在输入前会将节点进行 shuffle 操作,也就是说 LSTM 从序列顺序中并不能学到什么知识。
此外在论文中还有一个小细节,我初次看的时候没有细读论文,被一位朋友指出后才发现果然如此,先贴一下原文:
这里的 lines 4 and 5 in Algorithm 1,也就是我们前面给出的算法中的第 11 和 12 行。
也就是说,作者在文中提到的 GraphSAGE-GCN 其实就是用上面这个聚合函数,替代掉其它方法中先聚合,再 concat 的操作,并且作者指出这种方法是局部谱卷积的线性近似,因此将其称为 GCN 聚合器。
最后我们就简单的补充一些喜闻乐见,且比较简单的东西吧。用 GraphSAGE 一般用来做什么?
首先作者提出,它既可以用来做无监督学习,也可以用来做有监督学习,有监督学习我们就可以直接使用最终预测的损失函数为目标,反向传播来训练。那么无监督学习呢?
其实无论是哪种用途,需要注意的是图本身,我们还是主要用它来完成 embedding 的操作。也就是得到一个节点的 embedding 后比较有效的 feature vector。那么做无监督时,如何知道它的 embedding 结果是对是错呢?
作者选择了一个很容易理解的思路,就是邻居的关系。默认当两个节点距离相近时,就会让它们的 embedding 结果比较相似,如果距离远,那 embedding 的结果自然应该区别较大。这样一来下面的损失函数就很容易理解了:
z_v 表示是目标节点 u 的邻居,而 v_n 则表示不是,P_n(v) 是负样本的分布,Q 是负样本的数量。
那么现在剩下唯一的问题就是邻居怎么定义?
作者选择了一个很简单的思路:直接使用 DeepWalk 进行随机游走,步长为 5,测试 50 次,走得到的都是邻居。
实验结果我们就不展示了,其实可以看到作者在很多地方都用了一些比较 baseline 的思路,大家可以在对应的地方进行更换和调整,以适应自己的业务需求。
后面我们也会继续分享 GNN 和 embedding 方面比较经典和启发性的一些 paper,欢迎大家持续关注~~~
Python中文社区作为一个去中心化的全球技术社区,以成为全球20万Python中文开发者的精神部落为愿景,目前覆盖各大主流媒体和协作平台,与阿里、腾讯、百度、微软、亚马逊、开源中国、CSDN等业界知名公司和技术社区建立了广泛的联系,拥有来自十多个国家和地区数万名登记会员,会员来自以工信部、清华大学、北京大学、北京邮电大学、中国人民银行、中科院、中金、华为、BAT、谷歌、微软等为代表的政府机关、科研单位、金融机构以及海内外知名公司,全平台近20万开发者关注。
长按扫码添加“Python小助手”
▼点击成为社区会员 喜欢就点个在看吧