第三章 · 3.4

3.4 图卷积:从谱滤波到邻域聚合

From Spectral Filtering to Neighborhood Aggregation
图像卷积依托规则网格定义局部运算和共享权重,分子图则需要适应不等大小、无固定次序的邻域。本节从图拉普拉斯出发,介绍图傅里叶变换与谱滤波,再经切比雪夫多项式、一阶近似和重归一化得到 GCN 传播式。推导将明确对称归一化加权求和与邻域平均的区别,并用纯传播算子的极限解释过平滑。最后讨论感受野与网络深度的关系,为消息传递和图级读出建立基础。

3.4.1 从规则网格到无序邻域

3.3 节使用固定分子指纹建立预测基线,本节转向直接学习图上的表示。以单通道图像为例,一个 3×3 卷积核对九个相对位置的输入值加权求和。它具有两项适合推广的性质:局部性(locality)使每个输出只依赖有限邻域,权重共享(weight sharing)使同一组核参数用于不同位置。因此,固定通道数和核大小时,参数量不随图像尺寸增长。这构成了有用的归纳偏置,但泛化效果仍需通过数据检验。

规则网格为“左上、正上、右上”等相对位置提供了统一定义,核权重据此索引。忽略边界处理并采用单位步长时,卷积具有平移等变性(translation equivariance):输入平移,输出随之平移。局部窗口与共享核因而可以在不同位置重复使用。

分子图 G=(V, E) 以原子为顶点、化学键为边。本节先用无向、无权、无自环的图描述连接关系,其邻接矩阵(adjacency matrix)满足 Aij = 1 当且仅当原子 i 与 j 成键;键类型作为边属性另行处理。与网格不同,原子的邻居数可以不同:例如苯环碳有两个重原子邻居,某些支链分支点有三个,是否显式加入氢也会改变邻域。原子编号还可以任意重排,同一分子的矩阵表示随编号变化,但预测不应随之改变。一般图的邻域没有网格那样固定的方向和顺序,因而不能直接按邻居在输入中的排列分配核权重。

图模型通常在每个节点上使用同一个局部函数,并通过求和、平均或逐元素最大值等对称运算聚合邻居特征。重新编号后,节点表示应按相同方式重排,这称为置换等变;图级读出还应对重排保持不变。固定图结构时,节点特征的依赖范围可用“跳数”(hop)表示:一层沿边聚合至多传递一跳,连续 k 层的节点计算范围至多扩展到 k 跳。下面介绍一种谱方法,它从图上的线性算子定义滤波,并最终得到这样的邻域规则。

3.4.2 图的谱语言:拉普拉斯、特征分解与图频率

设图有 n 个节点,每个原子的 d 维特征组成矩阵 X ∈ ℝn×d。其中任意一列 x ∈ ℝn都是一个图信号(graph signal),即每个节点对应一个数值,例如一维原子描述符。节点度 di = Σj Aij 表示邻居数,不等同于按键级计算的价;将各度数排列在对角线上得到度矩阵(degree matrix) D。组合拉普拉斯定义为:

\[L = D - A\]
(3.4-1)组合拉普拉斯(combinatorial Laplacian)是对称矩阵,每行和为零;(Lx)i 为节点 i 与各邻居之间信号差的有符号和。
定义

图拉普拉斯与归一化形式。对本节的无向无权图,(Lx)i = Σj∈N(i)(xi − xj),其二次型为 xᵀLx = Σ(i,j)∈E(xi − xj)²,其中每条无向边只计一次。没有孤立节点时,归一化拉普拉斯为 Lsym = D−1/2LD−1/2,所有特征值位于 [0, 2]。这一统一边界不依赖节点数,但具体特征值仍由图的连接关系和度数决定。

从差分看,(Lx)i 比较节点与邻域的信号,但正负差可以抵消,不能把它直接当作差异大小。在路径图的内部节点,(Lx)i = 2xi − xi−1 − xi+1,是通常二阶中心差分的负号形式,对应负拉普拉斯的离散约定。规则二维网格中的中心系数 4、四邻系数 −1 也来自 D − A。

若要度量不发生正负抵消的整体变化,可使用二次型:

\[xᵀLx = \sum_{(i,j) \in E} (x_{i} - x_{j})^{2}\]
(3.4-2)右端对一切 x 非负,因此 L 半正定(positive semidefinite),特征值均非负。常值信号 x = c·1 的二次型为零;更一般地,每个连通分量内为常值即可。证明见习题 3.4-1。

L 的实对称性保证它具有标准正交的特征向量基,半正定性进一步保证特征值非负:

\[L = U\Lambda U^{T} \quad \hat{x} = U^{T}x \quad x = U\hat{x}\]
(3.4-3)U 的列 u1, …, un 为标准正交特征向量,Λ = diag(λ1, …, λn),0 = λ1 ≤ … ≤ λn。二次型可在这组基上分解为 xᵀLx = Σk λk x̂k²。

图傅里叶变换(graph Fourier transform)将信号投影到拉普拉斯特征向量基上,得到 x̂ = UTx。对单位范数特征向量 uk,有 ukTLuk = λk,所以较小特征值对应较小的逐边变化,较大特征值对应较大的逐边变化。这是将特征值解释为图频率的依据。路径图可选取采样余弦作为特征向量,环图则可用离散傅里叶模式,或相应的实正弦、余弦组合构造特征基。

注记

图频率与空间局部性是不同概念。频率描述信号相对于图边的变化,空间局部性描述信号或滤波器在哪些节点上非零。高频特征向量也可以分布在整张图上,低频向量也不必处处平缓。对分子特征,应先选定图与信号,再分析其频谱,不能预先将某一官能团或某类性质固定归为高频或低频。图 3.4-1 展示的是同一条路径上、相同范数下的两个模式。

六节点路径图的两个拉普拉斯特征向量:低频向量形如半个余弦波,高频向量在相邻节点间交替翻转 低频特征向量(λ₂ ≈ 0.27):沿路径缓变 0 0.97 0.71 0.26 −0.26 −0.71 −0.97 范数相同时,相邻差的平方和较小 同一六节点路径图(重原子图意义下如开链己烷) 高频特征向量(λ₆ ≈ 3.73):相邻符号交替 0 0.26 −0.71 0.97 −0.97 0.71 −0.26
图 3.4-1 六节点路径图的两个组合拉普拉斯特征向量,虚线为零基线。沿用式 (3.4-3) 从 1 开始的索引:上图对应 λ₂ = 2 − √3 ≈ 0.27,下图对应 λ₆ = 2 + √3 ≈ 3.73。图中向量按同一尺度绘制,标注值保留两位小数,其精确向量的范数均为 √3;除以 √3 后即为单位特征向量。上图沿路径变化较缓,下图相邻符号交替,后者的逐边差平方和更大。两者都在全路径上非零,说明频率高低不等同于支集大小。

在六元环上,最低非零频率可选取沿环一周完成一个周期的正弦或余弦模式;由于特征值可以重复,其特征向量基并不唯一。图上的这些模式是相对于所选拉普拉斯定义的信号基,并非分子的真实振动模态。分子振动还涉及质量、力常数和几何结构。这里使用频谱,是为了分析图信号的变化及滤波器的作用,而不是直接赋予每个模式一种化学含义。

组合拉普拉斯满足 λmax(L) ≤ 2dmax,其谱范围会受到度数尺度影响。为获得统一的谱边界,可使用归一化拉普拉斯(normalized Laplacian)。以下先假设所有节点度数为正:

\[L_{sym} = D^{-1/2} L D^{-1/2} = I - D^{-1/2}AD^{-1/2}\]
(3.4-4)在上述假设下,谱位于 [0, 2]。令 P = D−1A,则 D−1/2LsymD1/2 = I − P:Lsym 相似于随机游走拉普拉斯 I − P,与 P 的特征值按 λ ↔ 1 − λ 对应。存在孤立节点时需约定逆度数与对角元;后文为所有节点加自环后,D̃ 的对角元均为正。

3.4.3 谱卷积:定义与参数化限制

经典卷积定理将空间中的卷积对应到傅里叶域的逐点乘法。一般图上没有可直接沿用的平移操作,但可以借助拉普拉斯特征基定义谱图卷积(spectral graph convolution):先变换信号,对各谱分量施加增益,再变换回节点空间。Bruna 等(2014)的谱网络采用了这一思路。先考虑固定特征基下、每个谱分量独立学习增益的形式:

\[y = U g_{\theta}(\Lambda) U^{T}x \quad g_{\theta}(\Lambda) = diag(\theta_{0}, \dots , \theta_{n-1})\]
(3.4-5)此处参数从 0 编号,θk−1 对应式 (3.4-3) 的第 k 个特征向量。三个矩阵依次实现图傅里叶变换、谱增益和逆变换。若将 g 严格定义为特征值的函数,同一重复特征值上的增益还应相同。

式 (3.4-5) 给出了明确的滤波规则,但这种无约束的逐模态参数化有三项限制。

第一,参数依赖具体谱基。不同图通常具有不同的特征值与特征向量,排序相同的谱分量并不自动具有相同的结构含义。对十七节点图独立学习的十七个增益,不能直接用于任意大小的分子图。重复特征值对应的子空间还允许旋转基;若在其中分配不同增益,滤波结果就会依赖基的选择。接近重复的特征值也可能使单个特征向量对图的扰动敏感。因此,跨图共享需要更合适的参数化。

第二,显式谱分解与稠密运算有成本。通用稠密完整特征分解通常需要 O(n³) 运算,存储完整 U 需要 O(n²) 空间,随后每次谱变换还涉及稠密乘法。稀疏或部分特征分解可以降低某些场景的成本,但不能直接消除跨图参数对应问题。对小分子单图,分解未必是主要瓶颈;对大图或大量不同图,则需要考虑累计开销。

第三,频域截断不保证空间局部性。仅保留若干低频分量,并不能保证节点输出只依赖有限跳邻域,因为这些特征向量可以在远处节点上仍非零。某些特殊滤波器能够局部化,但无约束谱增益或低频截断本身不提供有限支集保证。Defferrard 等(2016)采用拉普拉斯多项式,使滤波范围与多项式阶数建立直接联系。

3.4.4 多项式滤波、一阶近似与重归一化

将谱增益写成多项式 gθ(Λ) = ΣkθkΛk,由 L = UΛUT 可得 U gθ(Λ)UT = ΣkθkLk。这带来三个直接结果。首先,L 只在对角线和相邻节点间非零,因此 Lk 在距离超过 k 跳的位置必为零,K 阶多项式的输出至多依赖 K 跳邻域。其次,多项式系数与节点数无关,可以用于不同图上的同类拉普拉斯,尽管这不保证跨图泛化效果。最后,逐次计算 Lx、L(Lx) 等即可求值,无需显式求出特征基。这些结论对归一化拉普拉斯也成立。

为改善高阶单项式计算的数值条件,Defferrard 等(2016)采用切比雪夫多项式(Chebyshev polynomials)。以下改用 Lsym,并以 Λ 表示它的特征值矩阵。将谱缩放为 Λ̃ = 2Λ/λmax − I 后,特征值位于 [−1,1]。Tk 在该区间上满足 |Tk| ≤ 1,并相对于权函数 1/√(1−z²) 正交;求值可使用三项递推:

\[g_{\theta}(\Lambda) \approx \sum_{k=0}^{K} \theta_{k} T_{k}(\tilde{\Lambda}) \quad T_{0}(z)=1 \quad T_{1}(z)=z \quad T_{k}(z)=2zT_{k-1}(z) - T_{k-2}(z)\]
(3.4-6)Hammond 等(2011)在谱图小波中使用了这一近似方法。这里 K 为最高次数,共有 K+1 项;K 给出节点输出依赖范围的跳数上界。
\[y = \sum_{k=0}^{K} \theta_{k} T_{k}(\tilde{L}) x \quad z_{0}=x \quad z_{1}=\tilde{L}x \quad z_{k}=2\tilde{L}z_{k-1} - z_{k-2}\]
(3.4-7)L̃ = 2Lsym/λmax − I,zk = Tk(L̃)x。给定谱缩放后,递推不需要特征向量;K ≥ 1 时,单通道成本为 O(K(|E|+n)),无孤立节点时可写为 O(K|E|)。ChebNet 用这类滤波构造图卷积层(Defferrard et al., 2016)。
2014 至 2017 年的代表性图学习方法:谱滤波、分子神经指纹、切比雪夫滤波、GCN 与消息传递框架 2014 · Bruna et al. 谱网络:频域逐点乘 逐频率学习增益 θ 基随图变,O(n³) 分解 2015 · Duvenaud et al. 神经指纹(分子侧) 邻域求和+逐层变换 学习分子的图级表示 2016 · Defferrard et al. ChebNet 切比雪夫截断 K 阶多项式:至多 K 跳 稀疏递推,免分解 2017 · Kipf & Welling GCN 一阶近似 对称归一化加权聚合 一跳传播与共享线性变换 2017 · Gilmer et al. MPNN 统一框架 消息、更新与图级读出 统一描述多种已有模型 这些方法分别从谱滤波和局部邻域计算出发,消息传递为其提供共同描述。
图 3.4-2 从谱滤波到消息传递的代表性工作。Bruna 等研究谱网络,Defferrard 等用切比雪夫多项式实现局部滤波,Kipf 与 Welling 进一步提出一阶 GCN。Duvenaud 等从分子邻域更新构造可微指纹,Gilmer 等则用消息传递框架统一描述多种图模型。图中按年份交错排列,并不表示所有方法具有单一的继承关系;3.5 节将介绍消息、更新与读出。

Kipf 与 Welling(2017)进一步取 K = 1,并以 λmax ≈ 2 简化谱缩放。由于 Lsym − I = −D−1/2AD−1/2,此时滤波为 y ≈ θ0x − θ1D−1/2AD−1/2x。再施加单参数约束 θ0 = −θ1 = θ,得到 y ≈ θ(I + D−1/2AD−1/2)x。取 2 是利用谱上界进行近似,并不是断言每张图的最大特征值都等于 2。

原算子 I + D−1/2AD−1/2 的谱位于 [0,2],反复使用可能放大部分方向。作者因此引入重归一化(renormalization):先令 Ã = A + I,再按新度矩阵 D̃ 计算 S = D̃−1/2ÃD̃−1/2。这是用新算子替换原算子,并非恒等项与归一化的代数合并;自环和邻边的系数都随新度数改变。原论文第 2.2 节与官方预处理实现均采用先加自环、再归一化的顺序。将标量滤波推广到多通道特征,得到图卷积网络(graph convolutional network, GCN)的传播式:

\[H^{(l+1)} = \sigma( D̃^{-1/2} Ã D̃^{-1/2} H^{(l)} W^{(l)} )\]
(3.4-8)H(0) = X;H(l) 为 n×dl 节点特征矩阵,W(l) 为 dl×dl+1 共享权重,σ 为逐点非线性。Ã = A + I,D̃ii = ΣjÃij。该层结合对称归一化聚合、特征线性变换与非线性更新。

将矩阵式按节点展开,可直接得到邻域更新规则:

\[h_{i}^{(l+1)} = \sigma( \sum_{j \in N(i) \cup \{i\}} [ 1/\sqrt{d̃_{i}d̃_{j}} ] h_{j}^{(l)}W^{(l)} )\]
(3.4-9)共享 W 对特征做线性变换,系数 1/√(d̃id̃j) 对闭邻域内的消息加权求和,随后应用 σ。一般图上这些系数的和不为 1,因此不能直接称为平均。该更新可以纳入消息传递框架,并与 Duvenaud 等(2015)的分子邻域模型作比较(Gilmer et al., 2017)。

GCN 的参数不绑定特定图的特征基,同一组 W 可用于不同大小的图。将多个分子组织为互不连接的图批次后,可以进行稀疏聚合,并按图分别读出。代价是单层只直接传递一跳信息,更远的节点交互需要多层传播或其他连接机制。表 3.4-1 比较了三种参数化;局部范围描述的是依赖上界,不保证其中每个节点都对输出有非零影响。

表 3.4-1三种图卷积滤波器的对照
滤波器可学参数是否依赖谱基空间局部性每层计算
无约束谱增益(Bruna et al., 2014)θ0, …, θn−1,逐模态增益是:跨图复用需额外参数化频域截断不保证有限支集完整稠密分解通常为 O(n³),另需谱变换
ChebNet(Defferrard et al., 2016)θ0, …, θK,多项式系数无需显式谱基,系数可共享至多 K 跳单通道 O(K(|E|+n)) 稀疏递推
GCN(Kipf & Welling, 2017)W(l),共享特征变换无需显式谱基每层至多 1 跳稀疏聚合与特征线性变换

3.4.5 对称归一化聚合的逐元素解释

令 S = D̃−1/2ÃD̃−1/2,则 Sij = Ãij/√(d̃id̃j)。固定中心节点 i 时,邻居 j 的新度数越大,其单条消息系数越小;固定 j 时,中心节点度数也影响该系数。这种归一化调节的是按边传播的尺度,不能据此断言高度数节点的总体影响必然较小。特别地,S 的行和一般不为 1,它定义的是加权求和。对无向非负邻接且每个节点均有正自环的图,S 为对称矩阵,谱位于 (−1,1],所以单独应用 S 不增大信号的二范数;加入 W 与非线性后的完整网络还需单独分析。

左:中心节点的新度数为 4,邻居新度数分别为 2、3、6,边系数为 1/√(d̃i·d̃j);右:包括自环在内的四个聚合系数 中心节点 i 的归一化邻域 1/√8 ≈ 0.35 1/√24 ≈ 0.20 1/√12 ≈ 0.29 自环:1/4 = 0.25 j₁ d̃ = 2 j₃ d̃ = 3 j₂ d̃ = 6 i d̃ = 4 聚合权重(行 i 的系数) 0 0.2 0.4 0.354 0.289 0.250 0.204 j₁ j₃ 自身 j₂ d̃=2 d̃=3 d̃=4 d̃=6 行和 ≈ 1.096:一般不等于 1
图 3.4-3 对称归一化的邻域加权求和。示例中新度数为:中心 d̃ = 4,邻居 d̃ = 2、3、6;邻居的其他连边未画出,节点半径仅示意度数。左图标出邻边系数 1/√(d̃id̃j) 和自环系数 1/d̃i,右图按大小排列。固定中心节点后,新度数最高的邻居具有最小的单条消息系数。四项之和约为 1.096,说明该聚合不保持常值信号;行和的大小取决于实际邻域度数。

当图为正则图、所有 d̃ 相等时,S = Ã/d̃,每行和每列之和均为 1,聚合恰为包含自身的邻域算术平均。例如苯环重原子图加自环后 d̃ = 3。一般非正则图没有这样的保证,行和偏离 1 也不构成独立、完整的度数不均衡指标。随机游走形式 P̃ = D̃−1Ã 则始终每行和为 1,直接计算各节点闭邻域的平均。S 与 P̃ 相似,特征值相同;S 的实对称性还允许使用标准正交特征基,但不能据此宣称它在所有任务中都更稳定或更有效。

式 (3.4-9) 是消息传递(message passing)的一个特例:可定义消息 mij = SijhjW,对消息求和,再用 σ 更新节点。也可先聚合再乘 W,因为线性变换与这里的加权求和可交换。3.5 节将分别讨论消息、聚合、更新,以及将节点表示汇总为图级向量的读出函数(readout function)。本节的传播系数仅由连接关系和度数决定;消息内容仍依赖原子特征与可学习 W。3.6 节的注意力机制进一步让系数依赖特征。

习题 3.4-1

对无向无权图,证明组合拉普拉斯满足 xᵀLx = Σ(i,j)∈E(xi − xj)²,其中每条无向边计一次。由此说明 L 为半正定矩阵,并求其零空间;连通图的零特征值重数为何为 1,单位范数的零特征向量可如何选取?

参考解答

展开二次型:xᵀLx = xTDx − xTAx = Σidixi² − Σi,jAijxixj。每条无向边 (i,j) 在第一项中贡献 xi² + xj²,在第二项中贡献 2xixj,因此净贡献为 (xi − xj)²。逐边相加即得结论。所有平方项非负,故 L 半正定,特征值均非负。取常值向量 x = c·1,有 Lx = 0。反过来,零空间向量满足 xᵀLx = 0,所以每条边两端的分量相等;沿路径传递可知,x 在每个连通分量内均为常值。零空间维数因此等于连通分量数。连通图的零空间为 span{1},零特征值单重,单位特征向量可取 u1 = (1,…,1)T/√n,即每个分量均为 1/√n。含多个不连通片段的分子记录则不满足单重结论,应按其实际图结构处理。

习题 3.4-2

三节点路径图 1—2—3(无向)。(a) 写出 A、D、L 与 Lsym;(b) 计算 S = D̃−1/2ÃD̃−1/2(Ã = A + I);(c) 求 S 的三个列和,并与随机游走矩阵 D̃−1Ã 的行和对照;(d) 验证 S(√2, √3, √2)T = (√2, √3, √2)T,说明其含义。

参考解答

(a) A = [0,1,0; 1,0,1; 0,1,0],D = diag(1,2,1),L = D − A = [1,−1,0; −1,2,−1; 0,−1,1]。D−1/2 = diag(1,1/√2,1),所以 Lsym = [1,−1/√2,0; −1/√2,1,−1/√2; 0,−1/√2,1]。(b) Ã = [1,1,0; 1,1,1; 0,1,1],D̃ = diag(2,3,2),S = [1/2,1/√6,0; 1/√6,1/3,1/√6; 0,1/√6,1/2]。邻边系数为 1/√(d̃id̃j),自环系数为 1/d̃i。

(c) 三个列和为 c₁ = 1/2 + 1/√6 ≈ 0.908、c₂ = 1/3 + 2/√6 ≈ 1.150、c₃ = c₁。S 对称,行和也分别等于这些值,所以 S1 ≠ 1,不能将它解释为保持常值的邻域平均。随机游走形式 D̃−1Ã = [1/2,1/2,0; 1/3,1/3,1/3; 0,1/2,1/2] 则每行和为 1。两种归一化在这个例子中有相同特征值 1、1/2、−1/6;区别不在于是否有谱界,而在于坐标缩放及矩阵的对称性。

(d) 第一分量为 (1/2)√2 + (1/√6)√3 = √2,第二分量为 2·(1/√6)·√2 + (1/3)√3 = √3,第三分量同第一。因此 v = (√2,√3,√2)T = D̃1/21 是 S 的特征值 1 对应的特征向量。反复应用 S 时,这一方向保持不变,其他特征方向按各自特征值的幂衰减。这是纯传播算子的性质,不等于行和归一化,也不能单独保证带可学习权重的深层 GCN 不发散。

3.4.6 过平滑与层数的选择

为分析传播对节点差异的影响,先去掉 W 与 σ,只考察固定算子 S 的幂。设图有限、无向且连通,并给每个节点加入正自环。令 P̃ = D̃−1Ã,则 P̃ = D̃−1/2S D̃1/2,两者相似。P̃ 是不可约、非周期的随机游走转移矩阵,因此:

\[\lim_{k \to \infty} (\tilde{D}^{-1}\tilde{A})^{k} = \mathbf{1}\pi^{T} \quad \pi_{i} = \tilde{d}_{i} / \sum_{j}\tilde{d}_{j}\]
(3.4-10)π 是平稳分布。连通性保证不可约,自环保证非周期,因而各行趋于同一分布。若图不连通,该结论分别作用于各连通分量,而非全图趋于一个秩一矩阵。

对随机游走传播,P̃kX 的每一行趋于同一个按 π 加权的特征向量。对称传播的极限有所不同:令 v = D̃1/21,可由相似关系得到 \(S^k \to vv^{T}/(v^{T}v)\)。因此 SkX 的第 i 行趋于 √d̃i 乘以一个公共向量;在非正则图上,各行未必数值相同,但除度数缩放外的节点差异会消失。若以 μr 表示 S 的特征值,所有非主导方向都满足 |μr| < 1,经过 k 次传播后乘以 μrk。

这为过平滑(over-smoothing)提供了一个可分析的例子:反复传播使表示逐渐接近低维子空间,可能损失区分节点所需的信息。Li 等(2018)据此讨论了 GCN 的拉普拉斯平滑作用。完整网络还包含特征变换与非线性,不能直接用 Sk 代替;例如 Oono 与 Suzuki(2020)的非线性 GCN 分析,需要权重尺度与图谱满足相应条件。残差、归一化、初始特征注入和其他连接方式也会改变传播过程,完整网络的深度效应应依据具体结构与参数分析。

层数实验也有具体适用范围。Kipf 与 Welling 的主要实验采用两层 GCN;其附录 B 在 Cora、Citeseer、Pubmed 的特定交叉验证设置下报告最佳结果来自两层或三层模型,并比较了残差连接。这些结果不能直接规定分子性质预测的最优深度,也不能将所有随深度发生的性能下降都归因于过平滑。

一阶局部 GCN 的 L 层节点感受野(receptive field)至多覆盖 L 跳。六元环的直径为 3,因此三层的计算范围可以覆盖整个环;但范围覆盖不等于完整保留信息,也不意味着第四层无法改善非线性表示。图级读出即使在浅层也可以汇总全图节点,然而这又不同于远距离节点在读出前已经充分交互。分子图直径及任务所需的交互距离应根据具体数据分析,不宜用单一经验值替代。

实现的默认配置同样不能当作理论结论。所核对的 DeepChem GCNModel 实现在未指定层宽时采用 [64,64],即两层图卷积;TorchDrug GCN则要求提供 hidden_dims,没有统一的默认层数。可以从浅层基线开始,在固定数据划分与评价规则下比较不同深度,并分别检验残差、归一化或多层读出的效果。仅在局部邻域内计算的注意力也不会自动缩短图距离,长程交互还取决于连接结构与读出设计。

警示

过平滑需要结合表示与训练诊断。加深后训练与验证成绩同时下降,可能来自过平滑,也可能来自优化困难或其他结构限制。可逐层检查节点表示的余弦相似度、奇异值谱,以及按 √d̃i 校正后的跨节点差异,并与任务性能一起判断;单个相似度或秩指标不是充分证据。比较深度时应同时记录优化状态与参数规模,再通过残差、归一化或多层特征组合的对照实验确定有效改动。感受野提供结构范围的依据,验证结果决定具体深度。

习题 3.4-3

苯环的重原子图是六元环(2-正则),各节点加自环后 d̃ = 3。(a) 写出 S = D̃−1/2ÃD̃−1/2;(b) 证明其每列和为 1;(c) 说明三层一阶 GCN 的节点计算范围可以覆盖全环,并讨论能否据此断言第四层没有收益。

参考解答

(a) D̃ = 3I,所以 S = (I+A)/3:对角元和两条环边对应的元素均为 1/3。(b) 每列包含三个 1/3,列和为 1;由于 S 对称,行和也为 1。这里正则性使对称归一化恰好成为包含自身的邻域平均。

(c) 六元环的直径为 3,一阶局部传播的三层计算图因此能够连接每个节点与其余所有节点。它只说明潜在依赖范围,不保证每项输入信息都能通过聚合和非线性得到保留。第四层不再扩大这个范围,但仍可改变特征变换、路径权重与非线性组合,是否有收益需通过训练和验证判断。若只考察无权重、无非线性的 Sk,其极限为 \(\mathbf{1}\mathbf{1}^{T}/6\),节点差异会随反复传播消失;这是纯传播的结论。另一个极端是所有节点初始特征相同且更新规则共享,此时对称性使各节点从一开始就具有相同表示,不能把相同表示一概归因于层数过深。

3.4.7 从 GCN 到消息传递

本节将谱滤波与邻域计算联系起来:多项式约束提供局部性,一阶近似和重归一化形成 GCN 的传播算子,共享 W 则学习如何组合特征。相同度数会给出相同的结构系数,但不同原子特征仍可产生不同消息;基础 GCN 的主要限制是传播系数不直接依赖键类型和节点内容。下一节将分别扩展消息、聚合、更新与读出,3.6 节再讨论注意力机制。用于 Tox21 等性质任务时,还应结合 MoleculeNet(Wu et al., 2018)所强调的数据划分与评价设置,与固定指纹基线比较;不同论文中的“图卷积”模型不能仅凭名称视为同一个结构。


关键术语

平移等变性 (translation equivariance)
输入平移时,输出按相同方式平移;标准网格卷积在适当步长与边界条件下具有此性质。
邻接矩阵 (adjacency matrix)
以矩阵元素描述节点之间的连接;本节的二值 A 只记录是否成键,键类型另作边属性。
度矩阵 (degree matrix)
对角元为邻接矩阵各行之和的对角矩阵;加自环后应使用相应的新度矩阵 D̃。
图拉普拉斯 (graph Laplacian)
L = D − A;对无向无权图,其二次型为每条无向边两端信号差的平方和,因此半正定。
归一化拉普拉斯 (normalized Laplacian)
正度数条件下,Lsym = D−1/2LD−1/2 = I − D−1/2AD−1/2,谱位于 [0,2];它相似于 I − D−1A。
图傅里叶变换 (graph Fourier transform)
用 x̂ = UTx 将图信号投影到选定拉普拉斯的标准正交特征向量基上。
谱滤波器 (spectral filter)
在拉普拉斯谱域对信号分量施加增益,再逆变换回节点空间;多项式参数化可提供有限跳局部性。
切比雪夫多项式 (Chebyshev polynomials)
在 [−1,1] 上相对于权函数 1/√(1−z²) 正交的多项式族,可递推求值;最高 K 次的图滤波至多依赖 K 跳邻域。
重归一化 (renormalization)
将原传播算子替换为 D̃−1/2ÃD̃−1/2,其中 Ã = A + I;这是结构设计,不是原算子的恒等改写。
图卷积网络 (graph convolutional network, GCN)
本文指 Kipf 与 Welling 的结构:对称归一化邻域加权求和、共享特征线性变换与非线性更新。
感受野 (receptive field)
固定图结构时,一个节点表示可能依赖的输入节点特征范围;本节一阶局部 GCN 的 L 层范围至多为 L 跳。
过平滑 (over-smoothing)
反复传播使节点表示中的可区分差异减弱的现象;纯传播可用算子幂分析,完整网络的结论依赖额外条件。

参考文献与延伸阅读

  1. Bruna J, Zaremba W, Szlam A, LeCun Y. 2014. Spectral networks and locally connected networks on graphs. In: International Conference on Learning Representations (ICLR).
  2. Defferrard M, Bresson X, Vandergheynst P. 2016. Convolutional neural networks on graphs with fast localized spectral filtering. In: Advances in Neural Information Processing Systems 29 (NIPS 2016).
  3. Duvenaud DK, Maclaurin D, Aguilera-Iparraguirre J, et al. 2015. Convolutional networks on graphs for learning molecular fingerprints. In: Advances in Neural Information Processing Systems 28 (NIPS 2015).
  4. Gilmer J, Schoenholz SS, Riley PF, et al. 2017. Neural message passing for quantum chemistry. In: Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning (ICML), PMLR 70:1263–1272.
  5. Hammond DK, Vandergheynst P, Gribonval R. 2011. Wavelets on graphs via spectral graph theory. Applied and Computational Harmonic Analysis 31:129–150.
  6. Kipf TN, Welling M. 2017. Semi-supervised classification with graph convolutional networks. In: International Conference on Learning Representations (ICLR).
  7. Li Q, Han Z, Wu X-M. 2018. Deeper insights into graph convolutional networks for semi-supervised learning. In: Proceedings of the 32nd AAAI Conference on Artificial Intelligence, 3538–3545.
  8. Oono K, Suzuki T. 2020. Graph neural networks exponentially lose expressive power for node classification. In: International Conference on Learning Representations (ICLR).
  9. Wu Z, Ramsundar B, Feinberg EN, et al. 2018. MoleculeNet: a benchmark for molecular machine learning. Chemical Science 9:513–530.