【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

图像卷积和图卷积
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

$\tilde{D}_{ii}=\sum_j\tilde{A}_{ij}$
度矩阵的求解

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)] =0.0
        d_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.")