【intro】图注意力网络（GAT）

news2024/11/25 12:30:21

论文阅读

https://arxiv.org/pdf/1710.10903

abstract

GAT，作用于图结构数据，采用masked self-attention layers来弥补之前图卷积或类似图卷积方法的缺点。通过堆叠layers，让节点可以添加其邻居的特征，我们就可以给不同的邻居节点不同的权重，而这一步操作不需要使用任何昂贵的矩阵计算（比如求逆矩阵），也不需要依赖对图结构的了解。

可以很容易地应用于inductive，transductive 问题（归纳、直推）。

introduction

CNN：grid-like structure, efficiently reuse their local filters, with learnable parameters, by applying them to all the input positions.

但是很多任务的数据并不能表示成grid-like structure。

->GNN->两种方案：spectral approaches，non-spectral approaches（谱方法、非谱方法）

spectral approaches
采用图的谱表示方法，已经被成功应用于node classification。依赖于laplacian eigenbasis（拉普拉斯特征基），而laplacian eigenbasis又依赖于图结构，因此在一个图结构上训练的模型并不能直接应用于另一种结构的图。
non-spectral approaches
定义一个算子，使其能够在不同大小的邻域上工作并且保证CNN的权值共享。

->注意力机制：允许不同大小的输入，专注于输入中最相关的部分来做决策。->通过邻居，找到节点的hidden representation

GAT architecture

graph attentional layer

输入是一系列节点特征：

$h = \{ \vec{h_1}, \vec{h_2}, \cdot \cdot \cdot, \vec{h_N} \}, \vec{h_i}\in \mathbb{R}^F$

这里N表示节点的数量，F表示每个节点的特征的数量

而这一层会产生一系列新的节点特征（这里特征的数量可能不同了）:

${h}' = \{ \vec{{h_1}'}, \vec{{h_2}'},\cdot \cdot \cdot , \vec{{h_N}'} \}, \vec{{h_i}'} \in\mathbb{R}^{{F}'}$

为了获得足够的表达能力将输入的特征转换到更高阶的特征，我们至少需要一个可学习的线性变换->因此出事步骤是一个共享的线性变换，将一个权重矩阵 $W \in \mathbb{R}^{{F}'\times F}$ 应用于所有的节点。紧接着，我们对节点使用self-attention： $a:\mathbb{R}^{{F}'} \times \mathbb{R}^{F} \rightarrow \mathbb{R}$

计算注意力系数： $e_{ij}=a(W\vec{h_i}, W\vec{h_j})$

这表明了节点j的特征对节点i的重要程度。->这就允许了每个节点都可以影响其他的节点，从而放弃所有的结构信息。我们通过masked attention（对于节点 $j \in N_i$ 只计算 $e_{ij}$ ，这里 $N_i$ 表示节点i在图中的一些邻居->对于对于属于i的邻居的j，只计算ij之间的关系）将其引入图结构。这里邻居指的是节点i的一阶邻居，并且包含了节点i。为了让不同节点之间的系数更好比较，做normalization（归一化）

$\alpha _{ij} = softmax_j(e_{ij}) = \frac{exp(e_{ij})}{\sum_{k \in N_i}^{}exp(e_{ik})}$

这里的注意力机制a是一个单层的前馈神经网络，用一个权重向量 $\vec{a} \in \mathbb{R}^{2{F}'}$ 进行参数化，之后使用LeakyReLU做非线性。->注意力机制的系数可以表示为：

$\alpha _{ij} = \frac{exp(LeakyReLU(\vec{a}^T [W\vec{h}_i || W\vec{h}_j] ))}{\sum_{k \in N_i}^{} exp(LeakyReLU(\vec{a}^T [W\vec{h}_i || W\vec{h}_k] ) )) }$

这里T表示转置，||表示连接操作

一旦得到归一化的注意力系数，酒可以用于计算计算与之对应的特征的线性组合。为了能够作为每个节点最终的输出特征（在使用一个潜在的非线性 $\sigma$ 之后）：

$\vec{{h_i}'} = \sigma (\sum_{j \in N_i}^{} \alpha_{ij} W \vec{h}_j )$

为了稳定自我注意的学习过程，使用multi-head。K个独立注意机制执行表达式 $\vec{{h_i}'} = \sigma (\sum_{j \in N_i}^{} \alpha_{ij} W \vec{h}_j )$ 的变换，然后将它们的特征连接起来，得到如下输出特征表示：

这里||表示连接， $\alpha _{ij} ^k$ 表示由第k个注意力机制（ $a^k$ ）和于输入的线性变换相关的权重矩阵 $W^k$ 计算的归一化注意力参数。最后返回的输出 ${h}'$ 中的每个节点包含 $K{F}'$ 特征（而不是 ${F}'$ ）。

如果我们在网络的最后一层使用multi-head attention，这时，连接就显得不再好用了，这时我们采用的是取平均，并在之后应用非线性：

$\vec{{h_i}'} = \sigma\left ( \frac{1}{K} \sum_{k=1}^{K} \sum_{j \in N_i}^{} \alpha_{ij}^k W^k \vec{h_j} \right )$

如上图所示右侧为多头图注意力层（multi-head graph attentional layer）

comparisons to related work

优点

1. 计算高效：self-attention layer上的操作可以在所有边上并行执行，并且对于输出特真多计算可以在节点间并行计算。并且不需要昂贵的特征分解或者类似的昂贵的矩阵计算。

2. 与GCN相比，隐式允许在同一片邻域中赋不同的权重->model capacity↗️↗️

3. 共享。因此，它不依赖于对全局图结构或所有节点(特征)的预先访问(这是许多先前技术的限制)。->不需要图是无向图，并且可以适用于归纳式学习，将模型应用于训练时没有见过的图。

4. 不假设有任何排序

5. 使用节点特征进行相似性计算，而不是节点的结构属性(这将假设预先知道图形结构)。

补充

论文后面的部分就是实验了。

这里摘录一些博客的内容

向往的GAT(图注意力网络的原理、实现及计算复杂度) - 知乎

与GCN的联系与区别

无独有偶，我们可以发现本质上而言：GCN与GAT都是将邻居顶点的特征聚合到中心顶点上（一种aggregate运算），利用graph上的local stationary学习新的顶点特征表达。不同的是GCN利用了拉普拉斯矩阵，GAT利用attention系数。一定程度上而言，GAT会更强，因为顶点特征之间的相关性被更好地融入到模型中。

为什么GAT适用于有向图？

我认为最根本的原因是GAT的运算方式是逐顶点的运算（node-wise），这一点可从公式（1）—公式（3）中很明显地看出。每一次运算都需要循环遍历图上的所有顶点来完成。逐顶点运算意味着，摆脱了拉普利矩阵的束缚，使得有向图问题迎刃而解。

为什么GAT适用于inductive任务？

GAT中重要的学习参数是 $N_i$ 与 $a(\cdot )$ ，因为上述的逐顶点运算方式，这两个参数仅与1.1节阐述的顶点特征相关，与图的结构毫无关系。所以测试任务中改变图的结构，对于GAT影响并不大，只需要改变 $N_i$ ，重新计算即可。

与此相反的是，GCN是一种全图的计算方式，一次计算就更新全图的节点特征。学习的参数很大程度与图结构相关，这使得GCN在inductive任务上遇到困境。

下面谈谈我对这一段的理解吧。

首先，第一个GCN和GAT都利用了图的结构关系，区别在于，GCN中节点i的邻域中节点的重要性是图结构确认时就已经定下的，并不是需要学习的参数。在前面的学习中也能看出，一个节点j对节点i越专心，就意味着这个节点天然会分到更大的权重。这一特点同样会影响应用与有向图，假设一个场景，我在微博上关注了一个明星A，并且我很专一，只关注明星A，并且只和明星A互动，如果laplacian，那我就会分到超大的权重，这显然是不合理的。

$N_i$ 表示的是节点i的邻域（实际上是节点i的一部分邻居节点）， $a$ 表示的是一个映射。