图表示学习——deepwalk

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已于 2023-11-07 20:37:03 修改

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分类专栏：机器学习深度学习文章标签：学习人工智能数据挖掘

于 2023-05-23 21:17:18 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/nobugnomoney/article/details/130835694

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Graph Embedding

先从Word Embedding来说，现在的NLP语言取得了巨大突破一大部分原因是将高度离散化的词语符号表示，转换为了低维的连续分布的表示。

eg:

我爱香蕉

我爱苹果

用onehot来表示：

我 0 [1,0,0,0]

爱 1 [0,1,0,0]

苹果 2 [0,0,1,0]

香蕉 3 [0,0,0,1]

但是这种方法不能够表现出相似性的关系，来就有了更聪明的方法，考虑将这些词语用高维空间中的向量表示，如果两个词向量之间的距离近，那么它们对应的词就具有越高的语义相似性，这种思想即word2vec。用word2vec可以变成：

我 [1,1,1]
爱 [1,-1,1]
苹果 [-1,1,0.5]
雪梨 [-1,1,0.4]

类比在图上也是一样，在图上，如果两个节点之间的路径短，那么这两个节点的相似性一定很高，也就是向量之间的距离短，考虑图G(V,E)，在其基础上添加顶点的类别，则形成标注图(labeled graph)GL=(V,E,X,Y)，其中X∈R(|v|*d)为顶点嵌入，Y∈R(|V|×|C|)，d为特征维数，Y为标签集。注意这种写法指X和Y均为矩阵，X一共有|V|行，每行对应一个顶点的特征向量，有d维；并且每个结点可能属于多个类别⊂C。（指multi-label classification，而不是multi-class每个样本只归属一类别）。目标则是学习得到嵌入表示X，或者说映射Φ:V↦X，使得在低维的嵌入空间中，图结点有很好的分布式连续表达，能够很好保持图的邻接结构，即结点向量间的距离能够衡量原图中的邻接关系强弱。

下图来自deepwalk论文中的空手道数据集的deepwalk的实验结果。

Deep Walk

将图中的节点当作词语，几个节点构成的路径当作句子。

Random walk

随机游走的方式得到节点序列，就是从一个节点除法，走L步，得到的节点序列

，其中从一个节点到相邻的节点之间是随机的饿过程。

w1,w2,…,wL

随机游走的好处：

可以实现并行计算
可以轻松应对动态网络，对于任意新加的点，不用再训练全图。

幂律分布

与文本语言相似，图中，少量的节点拥有大量的连接，严重的分布不均匀。在论文中有说明：

If the degree distribution of a connected graph follows a power law (i.e. scale-free), we observe that the frequency which vertices appear in the short random walks will also follow a power-law distribution.
图是符合幂律分布，他的子序列也符合幂律分布，因此可以尝试用语言模型来解决。

Skip-gram

在word2vec中提到了两种LM，一种CBOW，输入为前后w个词，输出为中间词；而另外一种是skip-gram，输入中间词，输出前后w,skip-gram的计算量更少，deepWalk选择skip-gram;下图是窗口为2的情况；

则最终的优化问题变成了：
$minΦ−logPr({vi−w,…,vi−1,vi+1,…,vi+w}∣Φ(vi))$
整体的算法流程：

论文中给出的伪代码：

总结一下：

1、每次随机选择一个起始点vi
2、从vi开始，做长为|Wvi|=t的随机游走。
3、依据得到的Wvi，做skip-gram。即对每一vj∈Wvi，每一uk∈Wvi[j−w:j+w]，做梯度下降更新参数

$J (Φ) = - l o g P r (u k ∣ Φ (v j)), Φ = Φ - α \partial J / \partial Φ$

其他的就是一些工程上的问题了，这里不再细致讨论。