Knowledge Graph表示学习--TransE系列

知识图谱（Knowledge Graph or KG），如： Free Base、DBpedia、YAGO、NELL等已经成功地应用到语义分析、信息抽取、问答系统等方面。知识图谱是由实体（entity）和关系（relations: 不同类型的边）构成的多关系图。每一条边都以三元组的形式呈现（head entity, relation, tail entity），这也叫做fact。
KG Embedding目的是将实体和关系映射到低维连续的向量空间，从而简化KG的相关计算。KG Embedding的一般步骤:

1. 表示图中的实体和关系
2. 定义一个打分函数(scoring function)
3. 学习实体和关系的向量表示

在这里，主要总结基于距离的模型，Translational Distance Model.

TransE —— 给定一个fact(h,r,t)，TrasE模型将关系表示为translation 向量 $\vec{r}$，这样就能以较低的错误把实体的向量 $\vec{h}, \vec{t}$连接起来，即： $\vec{h} + \vec{r} \approx \vec{t}$。 打分函数定义为： $\vec{h} + \vec{r}$与 $\vec{t}$之间的距离： $$\begin{equation} f_r(h,t) = -||\vec{h} + \vec{r} - \vec{t}||_{1/2} \end{equation}$$ 如果(h,r,t)存在，那么 分数 $f_r{h,t}$就比较高。示意图如下：

在训练过程中，最小化的是一个hinge loss函数：

$$\begin{equation} \mathcal{L} = \sum_{(h,r,t) \in S}\sum_{(h^{'},r,t^{'}) \in S^{'}_{(h,r,t)}} [\gamma + f_r(h,t) - f_r(h^{'}, t^{'})]_+ \end{equation}$$
其中， $[x]_+$表示 $max\{0,x\}$， $\gamma$是margin超参数。根据max-margin的思想， $\mathcal{L}$表示的是负样本的分数最多比正样本高 $\gamma$，再大就没有奖励了。也就是说正样本 $\vec{h}+\vec{r}$与 $\vec{t}$的距离小，负样本的距离大。E是实体的集合，S表示正样本的集合 ， $S^{'}_{(h,r,t)}$是负样本：
$$\begin{equation} S^{'}_{(h,r,t)}=\{(h^{'},r,t)| h^{'} \in E\} \cup \{ (h,r,t^{'})| t^{'} \in E\} \end{equation}$$
虽然TransE模型简单有效，但是它并不能处理1-N，N-1, N-N的问题。比如，一个导演指导了多部电影，根据头节点h（导演），关系r（指导），尾节点t（电影）进行模型训练，那么这些电影向量的距离是很近的，而事实上他们是完全不同的实体。
为了克服这个缺陷，有些工作提出了relation-specific实体embedding。

TransH —— TransE的问题所在是，在任何relation下实体的向量表示都是相同的，这就造成了以下两点： 1. 如果 $(h,r,t) \in fact$并且 $(t,r,h) \in fact$，也就是说r是一个自反的映射，那么 r⃗