【图卷积网络】GCN基础原理简单python实现

基础原理讲解

应用路径

卷积网络最经典的就是CNN，其 可以提取图片中的有效信息，而生活中存在大量拓扑结构的数据。图卷积网络主要特点就是在于其输入数据是图结构数据，即$G(V,E)$，其中V是节点，E是边，能有效提取拓扑结构中的有效信息，实现节点分类，边预测等。

基础原理

其核心公式是：
$$H^{(l+1)}=\sigma ({\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}{H}^l{W}^l)$$
其中：

• $\sigma$ 是非线性激活函数
• $\tilde{D}$是度矩阵,${\tilde{D}}_{ii}={\sum }_j{\tilde{A}}_{ij}$
• $\tilde{A}$是加了自环的邻接矩阵,通常表示为$A+I$，$A$是原始邻接矩阵，$I$是单位矩阵
• $H^l$是第$l$层的节点特征矩阵，$H^{l+1}$是第$l+1$层的节点特征矩阵
• $W^l$是第$l$层的学习权重矩阵

步骤讲解：
1、邻接矩阵归一化： 将邻接矩阵归一化，使得邻居节点特征对中心节点特征的贡献相等。
2、特征聚合： 通过邻接矩阵与节点特征矩阵相乘，实现邻居特征聚合。
3、线性变换： 通过可学习的权重矩阵对聚合后的特征进行线性变换。

加自环的邻接矩阵

$$\tilde{A}=A+\lambda I$$
邻接矩阵加上一个单位矩阵，$\lambda$是一个可以训练的参数，但也可直接取1。加自环 是为了增强节点自我特征表示，这样在进行图卷积操作时，节点不仅会聚合来自邻居节点的特征，还会聚合自己的特征。

图卷积操作

图片的卷积是一个一个卷积核，在图片上滑动着做卷积。图的卷积就是自己加邻居一起做加和。
即：
$$\tilde{A}X$$

度矩阵求解

$${\tilde{D}}_{ii}=\sum _j{\tilde{A}}_{ij}$$

标准化

在进行加和时，节点的度不同，有存在较高度值的节点和较低度值的节点，这可能导致梯度爆炸或梯度消失的问题。
根据度矩阵，求逆，然后${\tilde{D}}^{-1}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1}X$，就进行了标准化，前一个${\tilde{D}}^{-1}$是对行进行标准化，后一个${\tilde{D}}^{-1}$是对列进行标准化。能够实现给与低度节点更大的权重，从而降低高节点的影响。
在上式推导中，${\tilde{D}}^{-1}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1}X$ 做了两次标准化，所以修改上式为${\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}X$

简单python实现

基于cora数据集实现节点分类

• cora数据集处理

# cora数据集测试
raw_data = pd.read_csv('./data/data/cora/cora.content', sep='\t', header=None)
print("content shape: ", raw_data.shape)raw_data_cites = pd.read_csv('./data/data/cora/cora.cites', sep='\t', header=None)
print("cites shape: ", raw_data_cites.shape)features = raw_data.iloc[:,1:-1]
print("features shape: ", features.shape)# one-hot encoding
labels = pd.get_dummies(raw_data[1434])
print("\n----head(3) one-hot label----")
print(labels.head(3))
l_ = np.array([0,1,2,3,4,5,6])
lab = []
for i in range(labels.shape[0]):lab.append(l_[labels.loc[i,:].values.astype(bool)][0])
#构建邻接矩阵
num_nodes = raw_data.shape[0]# 将节点重新编号为[0, 2707]
new_id = list(raw_data.index)
id = list(raw_data[0])
c = zip(id, new_id)
map = dict(c)# 根据节点个数定义矩阵维度
matrix = np.zeros((num_nodes,num_nodes))# 根据边构建矩阵
for i ,j in zip(raw_data_cites[0],raw_data_cites[1]):x = map[i] ; y = map[j]matrix[x][y] = matrix[y][x] = 1   # 无向图：有引用关系的样本点之间取1# 查看邻接矩阵的元素
print(matrix.shape)

• GCN网络实现

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f'Using device: {device}')
class GCNLayer(nn.Module):def __init__(self, in_features, out_features):super(GCNLayer, self).__init__()self.linear = nn.Linear(in_features, out_features)def forward(self, x, adj):rowsum = torch.sum(adj,dim=1)d_inv_sqrt = torch.pow(rowsum,-0.5)d_inv_sqrt[torch.isinf(d_inv_sqrt)] =0.0d_mat_inv_sqrt = torch.diag(d_inv_sqrt)adj_normalized = torch.mm(torch.mm(d_mat_inv_sqrt,adj),d_mat_inv_sqrt)out = torch.mm(adj_normalized,x)out = self.linear(out)return out
class GCN(nn.Module):def __init__(self, n_features, n_hidden, n_classes):super(GCN, self).__init__()self.gcn1 = GCNLayer(n_features, n_hidden)self.gcn2 = GCNLayer(n_hidden, n_classes)def forward(self, x, adj):x = self.gcn1(x, adj)x = F.relu(x)x = self.gcn2(x, adj)return x#F.log_softmax(x, dim=1)
# 示例数据（实际数据应根据具体情况加载）features = torch.tensor(features.values, dtype=torch.float32)
adj = torch.tensor(matrix, dtype=torch.float32)
labels = torch.tensor(lab, dtype=torch.long)
# features = torch.tensor([[1, 0], [0, 1], [1, 1]], dtype=torch.float32)
# adj = torch.tensor([[1, 1, 0], [1, 1, 1], [0, 1, 1]], dtype=torch.float32)
# labels = torch.tensor([0, 1, 0], dtype=torch.long)# 模型参数
n_features = features.shape[1]
n_hidden = 16
n_classes = len(torch.unique(labels))# 创建模型
model = GCN(n_features, n_hidden, n_classes)
model = model.cuda()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
# 训练模型
n_epochs = 200
for epoch in range(n_epochs):model.train()features, labels = features.cuda(), labels.cuda()adj = adj.cuda()optimizer.zero_grad()output = model(features, adj)loss = loss_fn(output, labels)loss.backward()optimizer.step()if (epoch + 1) % 20 == 0:print(f'Epoch {epoch+1}, Loss: {loss.item()}')
print("Training complete.")

参考

cora数据集及简介
图卷积网络详细介绍
GCN讲解