图神经网络与图表示学习: 从基础概念到前沿技术

前言

随着复杂网络数据的快速增长，图数据的处理和分析成为机器学习领域的一个重要方向。图神经网络（Graph Neural Networks, GNNs）和图表示学习技术逐渐崭露头角，成为处理图数据的有效工具。本文将深入探讨图的形式化定义、图表示学习的基本概念以及一系列先进的图神经网络模型。

1 图的形式化定义和类型

1.1 图的形式化定义

图（Graph）是一种抽象数据结构，由节点和边构成。节点表示图中的元素，边表示节点之间的关系。图的形式化定义可以表示为：
$$G=(V,E)$$
其中，$V$是节点的集合，$E$是边的集合。节点和边的具体性质可以根据应用场景的需求而定。

1.2 图的类型

根据边的方向和节点之间的关系，图可以分为不同类型。

有向图（Directed Graph

有向图中，边是有方向的，从一个节点指向另一个节点。形式化表示为：
$$G=(V,E,\rho )$$

其中，$ρ:E→V×V $是边到节点的映射，表示每条边连接一个起始节点和一个目标节点。

无向图（Undirected Graph

在无向图中，边是无方向的，即从一个节点到另一个节点没有箭头。形式化表示为：
$$G=(V,E,\delta )$$

其中，$\delta :E\to \{\{u,v\}\mid u,v\in V\}$ 是边到节点对的映射，表示每条边连接两个节点。

循环图和无环图

根据图中是否存在环路，图可以进一步分为循环图和无环图。

循环图：包含至少一个环路的图。
无环图：不包含任何环路的图。

这些基本概念为我们理解图的特性以及后续的图表示学习提供了基础。

图的形式化定义和类型为我们提供了处理复杂关系数据的工具，为后续深入研究图表示学习奠定了理论基础。通过对节点和边的组合，我们能够更好地理解和描述真实世界中的复杂关系网络。

2 图表示学习

图表示学习旨在利用表示学习技术，将图映射到向量空间，以保留图的结构特征和语义特征。其中，基于随机游走的邻居序列是一种常见的方法，包括DeepWalk、LINE、Node2Vec、NetMF以及Metapath2Vec。这些方法通过模拟节点间的随机游走来捕捉相似性结构上下文，为图的向量化表示奠定了基础。

2.1 DeepWalk: 融合语义相似性与图结构

DeepWalk将自然语言处理中相似上下文的词具有相似语义的思想引入图领域。在图中，DeepWalk通过随机游走采样邻居节点序列，并运用Word2Vec等算法进行学习，使得相似结构上下文的节点能够在向量空间中保持相似性。这为图节点的向量表示提供了有效手段，通过模拟节点的随机游走，DeepWalk捕捉了图的语义特征与结构特征的融合。

2.2 Node2Vec: 灵活调整随机游走策略

Node2Vec更进一步，灵活地结合了内容相似性和结构相似性的考虑。通过调整随机游走的策略，包括广度优先搜索（BFS）和深度优先搜索（DFS），Node2Vec能够捕捉不同层次的邻居节点信息，为节点表示学习提供更具区分度的向量表示。这使得Node2Vec在不同的图结构中能够更好地适应，并提高了节点表示的表达能力。

2.3 LINE: 一阶与二阶邻接建模

LINE（Large-scale Information Network Embedding）通过一阶近似和二阶近似的建模更细致地表达邻接节点的信息。该方法旨在保留节点邻居的全局结构特征，通过在向量空间中捕捉一阶和二阶邻接关系，使得节点向量更好地捕捉图的拓扑结构。LINE的特点在于其对全局结构的敏感性，从而提高了对图形状的理解和表示的准确性。

2.4 NetMF: 矩阵分解的可扩展图表示学习

NetMF采用基于矩阵分解的图表示学习框架，通过考虑节点之间的邻接关系将图数据映射到低维向量空间。这种方法在保留全局结构信息的同时，具有较好的可扩展性，适用于大规模图数据。NetMF的矩阵分解思想使得图的向量化表示更加高效，为处理大型图数据提供了有效的解决方案。

2.5 Metapath2Vec: 异构图的全面捕捉

Metapath2Vec专注于处理异构图，结合了图结构和语义信息。通过在异构上下文中进行元路径（metapath）的随机游走，该方法更全面地捕捉了图的复杂结构，使得异构图中不同类型节点的关系得以有效表示。Metapath2Vec的方法为异构图领域提供了一种全面且有效的图表示学习策略。

这一系列基于随机游走的邻居序列方法为图表示学习提供了多样而灵活的工具，能够有效地捕捉图的结构和语义特征，为后续的图神经网络模型提供了有力的基础。

3 图神经网络系列

图神经网络是图表示学习的重要分支，涵盖了丰富的模型和技术。

3.1 基本组成和分类

图神经网络通常包括信息传播模块、聚合器、迭代器以及输出模块，以半监督方式实现图的表示学习。

图神经网络的分类主要分为transductive setting和inductive setting两种。区别在于预测的样本是否在训练中见过，这为不同场景下的应用提供了更多灵活性。

3.2 典型模型

• 图卷积神经网络（GCN）：通过邻居节点的信息聚合实现图的卷积操作，有效捕捉节点的全局结构信息。
• 图变分自编码器（VGAE）：通过引入随机变量，对图的结构进行潜在表示学习。
• 图注意力网络（GAT）：通过引入注意力机制，允许节点对不同邻居节点赋予不同的权重，提升模型对复杂图结构的表达能力。
• GraphSAGE：对邻居节点进行随机采样，从而降低计算复杂度，同时保留图的局部信息。
• GTN（Graph Transformer Network）：专注于处理知识图谱中的异构图，结合图的层次化结构进行信息建模。

4 图神经网络预训练

预训练技术是图神经网络研究中的一个热门方向，通过预训练可以提高模型的泛化能力和学习效果。

4.1 基于生成模型的预训练

基于生成模型的预训练是一种通过模拟图数据的生成过程来提高模型对图结构理解的策略。这种方法的核心思想是通过生成模型学习图的概率分布，从而能够更好地捕捉图的全局结构和节点之间的关系。这为模型在后续任务中更准确地表达图数据奠定了基础。

4.2 基于对比学习的预训练

基于对比学习的预训练方法通过构造正负例进行对比学习，使得模型能够更好地学习图中节点之间的关系。通过比较节点与其邻居节点、上下文节点之间的相似性，模型能够更全面地捕捉图的局部结构和全局特征。这为模型提供了更具判别力的表示，有助于提高模型的泛化能力。

4.3 具体模型

GPT-GNN

GPT-GNN是一种将预训练任务和下游任务结合的图神经网络模型。通过使用GPT（Generative Pre-trained Transformer）作为预训练模型，GPT-GNN能够在图数据上进行预训练，捕捉图的全局特征和节点关系。这样的预训练任务提高了模型的表达能力，并使其更适用于各种图相关的任务。

GCC（Graph Contrastive Coding）

GCC采用对比学习的思想，从无标注输入图数据中构造正负例进行对比学习。通过将节点与其邻居节点之间的关系进行对比，GCC能够优化图表示的质量，提高了模型对图结构的理解。这一方法尤其适用于大规模图数据，为图表示学习提供了一种有效的优化路径。

这些基于预训练的方法使得图神经网络更具泛化能力，能够在未标注的大规模图数据上进行学习，并在各种下游任务中取得更好的性能。这也为图神经网络在实际应用中的广泛推广提供了有力的支持。

结语

图神经网络和图表示学习技术正在成为处理复杂图数据的重要工具。从基础的图的形式化定义到前沿的图神经网络模型，我们深入探讨了图表示学习的关键概念和方法。未来，随着研究的不断深入，图神经网络将在社交网络分析、推荐系统、生物信息学等领域发挥更为广泛的作用。