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Node2vec简述
DeepWalk的缺点
用完全随机游走#xff0c;训练节点嵌入向量#xff0c;仅能反应相邻节点的社群相似信息#xff0c;无法反映节点的功能角色相似信息。 …参考资料https://www.bilibili.com/video/BV1BS4y1E7tf/?p12spm_id_frompageDriver
Node2vec简述
DeepWalk的缺点
用完全随机游走训练节点嵌入向量仅能反应相邻节点的社群相似信息无法反映节点的功能角色相似信息。
Node2vec 通过调节p和q的参数可以调节权重。 p值很小更愿意返回则类似BFS反映的是微观视角。 q值很小更愿意返回则类似DFS反映宏观视角。 DFS捕捉的是homophily同质社群(社交网络)的特征 BFS捕捉的是Structural equivalence节点功能角色(中枢、桥接、边缘)的特征。 伪代码 一些技术细节
Alias Sampling用空间换时间时间复杂度O(1)的采样算法。
Node2vec论文精读
任何监督学习算法要求有内含丰富语义有分类区分性以及相互独立的特征。 图嵌入的方法 1.手动构造特征 2.基于矩阵分解的图嵌入 3.基于随机游走的图嵌入 4.基于神经网络 同一个社群的节点、同一个功能角色的节点应该被编码成相近的embedding 使用二阶随机游走方法来产生节点的邻域。 一阶随机游走(一阶马尔科夫性)下一个节点仅与当前节点有关(deepwalk,pagerank) 二阶随机游走(二阶马尔科夫性)下一个节点不仅与当前节点有关还与上一个节点有关 pq的不同对应不同的探索策略具有可解释性。 最优的pq可以通过调惨得到。
贡献
1.提出node2vec可以通过调节p、q来探索网络的不同特性使用SGD来优化 2.node2vec符合网络科学的准则提供了灵活的表示 3.node2vec将节点嵌入推广到了连接嵌入 4.在多类别分类任务和连接预测任务上进行了实验。
3.Node2vec算法
图 G ( V , E ) G(V,E) G(V,E) 采样策略 S S S 节点 u u u的领域节点 N S ( u ) ⊂ V N_S(u) \subset V NS(u)⊂V 任务学习映射 f : V → R d f: V \rightarrow \mathbb{R}^d f:V→Rdd是词嵌入后的维度 目标函数 max f ∑ u ∈ V log Pr ( N S ( u ) ∣ f ( u ) ) \max _f \sum_{u \in V} \log \operatorname{Pr}\left(N_S(u) \mid f(u)\right) fmaxu∈V∑logPr(NS(u)∣f(u)) 为了简化问题做出两个假设
条件独立性假设周围节点互相不影响 Pr ( N S ( u ) ∣ f ( u ) ) ∏ n i ∈ N S ( u ) Pr ( n i ∣ f ( u ) ) \operatorname{Pr}\left(N_S(u) \mid f(u)\right)\prod_{n_i \in N_S(u)} \operatorname{Pr}\left(n_i \mid f(u)\right) Pr(NS(u)∣f(u))ni∈NS(u)∏Pr(ni∣f(u))特征空间的对称性两个节点之间相互影响的程度是一样的因此可以用特征的点乘来表示概率 Pr ( n i ∣ f ( u ) ) exp ( f ( n i ) ⋅ f ( u ) ) ∑ v ∈ V exp ( f ( v ) ⋅ f ( u ) ) \operatorname{Pr}\left(n_i | f(u)\right)\frac{\exp \left(f\left(n_i\right) \cdot f(u)\right)}{\sum_{v \in V} \exp (f(v) \cdot f(u))} Pr(ni∣f(u))∑v∈Vexp(f(v)⋅f(u))exp(f(ni)⋅f(u))
设 Z u ∑ v ∈ V exp ( f ( u ) ⋅ f ( v ) ) Z_u\sum_{v \in V} \exp (f(u) \cdot f(v)) Zu∑v∈Vexp(f(u)⋅f(v))称为配分函数则目标函数可化为 Pr ( n i ∣ f ( u ) ) exp ( f ( n i ) ⋅ f ( u ) ) ∑ v ∈ V exp ( f ( v ) ⋅ f ( u ) ) \operatorname{Pr}\left(n_i \mid f(u)\right)\frac{\exp \left(f\left(n_i\right) \cdot f(u)\right)}{\sum_{v \in V} \exp (f(v) \cdot f(u))} Pr(ni∣f(u))∑v∈Vexp(f(v)⋅f(u))exp(f(ni)⋅f(u))
3.1 传统搜索策略
如何定义领域 N S ( u ) N_S(u) NS(u)依赖于策略 S S S。不同策略下邻域是不一样的。 BFS只探索近邻。 DFS渐行渐远探索离原节点较远的节点。 在homophily(同质性)假设下(对应BFS)同一个社区的节点词嵌入后会比较相似。如s1和u 在structural equivalence假设下(对应DFS)有相同结构角色功能的节点词嵌入后会比较相似。如u和s6 在真实图里这两种不是互斥的一个图可能既有homophily特质也有structural equivalence特质。 BFS采样结果比较稳定方差较小。 DFS采样结果比较不稳定方差较大。 3.2 node2vec
3.2.1 随机游走 u u u起始点 t t t上一节点 v v v当前节点 x x x下一节点 N s ( t ) N_s(t) Ns(t)上一节点的邻居节点 k k k当前节点v的邻居节点个数 l l l随机游走序列节点个数
下一个节点的生成概率公式 P ( c i x ∣ c i − 1 v ) { π v x Z if ( v , x ) ∈ E 0 otherwise P\left(c_ix \mid c_{i-1}v\right) \begin{cases}\frac{\pi_{v x}}{Z} \text { if }(v, x) \in E \\ 0 \text { otherwise }\end{cases} P(cix∣ci−1v){Zπvx0 if (v,x)∈E otherwise 其中 π v x \pi_{v x} πvx是未归一化的转移概率。
3.2.2 搜索的偏向 α \alpha α
直接用权重作为游走概率则无法调节搜索策略。直接用BFS或者DFS则太极端无法平滑调节。 于是考虑带参数p和q的二阶随机游走 α p q ( t , x ) { 1 p if d t x 0 1 if d t x 1 1 q if d t x 2 \alpha_{p q}(t, x) \begin{cases}\frac{1}{p} \text { if } d_{t x}0 \\ 1 \text { if } d_{t x}1 \\ \frac{1}{q} \text { if } d_{t x}2\end{cases} αpq(t,x)⎩ ⎨ ⎧p11q1 if dtx0 if dtx1 if dtx2 π v x α p q ( t , x ) ⋅ w v x \pi_{v x}\alpha_{p q}(t, x) \cdot w_{v x} πvxαpq(t,x)⋅wvx 因为既要下一个节点x考虑当前节点v可达也要考虑x与上一个节点t的距离所以是二阶的随机游走 空间复杂度随机游走需要存邻接表 O ( ∣ E ∣ ) O(|E|) O(∣E∣)。为了方便二阶随机游走需要存 O ( a 2 ∣ V ∣ ) O(a^2|V|) O(a2∣V∣)来记录距离其中 a a a是图中每个点的平均连接数。 时间复杂度 O ( l k ( l − k ) ) O\left(\frac{l}{k(l-k)}\right) O(k(l−k)l)k是领域的节点个数 随着硬件的发展空间复杂度没有时间复杂度重要 3.2.3 伪代码 总共分为三个阶段
已知pq和图权重生成随机游走的采样策略存入表中每个节点生成r个随机游走序列其中node2vecWalk函数用于生成起始点为u长为l的随机游走序列。 用生成的随机游走序列通过skip-gram模型训练得到节点嵌入表示 AliasSampling是用空间(预处理)换时间的方法它的时间复杂度是O(1)特别适用于大量反复抽样情况下优势很突出。它将离散分布抽样转换为均匀分布抽样。 随机游走过程中会有隐式的偏差。所以每个节点都采样r次尽可能减少偏差。 每个阶段都可以并行并且可以异步训练可扩展性非常好 3.3 学习连接的特征
将node embedding扩展到link embedding 给定两个节点定义一个二元操作符 ∘ \circ ∘来生成连接的表示
4.实验
4.1悲惨世界人物关系图的图嵌入
4.2 实验设置
与其他算法对比 严格控制各对比实验的条件
4.3 多标签分类
4.4 参数敏感度 随机剔除一些连接性能会缓慢下降 4.5 扰动分析
缺失连接保证连通域不变的情况下进行剪枝不会造成新的孤岛。 噪声增加连接随机增加连接在传感器网络中更常见。
4.6 可扩展性
构建E-R随机图节点数从100到100万来做node2vec算法来看时间。可以看到时间复杂度近似为线性。
4.7 连接预测
构建正负样本的二分类问题。 采集测试集从网络中取50%的边同时确保不改变剩下的网络的连通性。再从网络中随机选取一些不相邻的节点对作为负样本。然后可以训练二分类模型了。
5.讨论和结论
node2vec展示了一定的可解释性p、q参数是灵活可调的在复杂任务上的性能不错特别是在扰动数据集上。 节点嵌入可以拓展到连接嵌入上。
