一. 概括

圖神經網絡已經成為深度學習領域最熾手可熱的方向之一。本文提出Graph Attention Networks(GATs)，將注意力機制應用到圖神經網絡中，每一層學習節點每個鄰居對其生成新特征的貢獻度，按照貢獻度大小對鄰居特征進行聚合，以此生成節點新特征。GATs具有計算復雜度低，適用歸納學習任務的特性。因此，GAT 不僅對于噪音鄰居較為魯棒，注意力機制也賦予了模型一定的可解釋性。

二. self-attention

本節詳細介紹每一次迭代（每一層）中aggregate模塊所使用的Self-Attention機制

2.1 方法

輸入：節點i特征??, 鄰居特征

輸出：鄰居j對節點i生成新特征的貢獻度?

模型：使用一個簡單的前饋神經網絡去計算?， 共享參數W? 通過反向傳播學習。

2.2 輸入預處理

對,???線性變換，得到W和W?

W為參數矩陣，將F維的特征線性組合生成F'維特征。

線性變換的目的是得到更強大的表達，可以見參考：YJango：深層學習為何要“Deep”

2.3 輸入層->隱層

注意力網絡可以有很多的設計方式，這里作者將節點 i和j?的表示進行了拼接，再映射為一個標量。需要。

?eij表示鄰居j的特征對i的重要性／貢獻度。

?||表示將將i和j拼接起來，作為神經網絡的輸入（2F'維）,注意這里拼接導致eij != eji ，也就是說注意力值?是非對稱的.

?a為輸入層->隱層的參數，因為隱藏只有一個神經元，故是一個2F'維的向量。

激活單元使用Leaky ReLU?進行非線性轉換

2.4 隱層->輸出層

為了使不同鄰居的貢獻度可以對比，使用softmax歸一化，最終得到鄰居j對節點i生成新特征的貢獻度 aij

2.5 生成節點新特征

對節點i的鄰居特征按貢獻度 aij進行加權平均后加一個非線性轉換，得到節點i的新特征?

2.6?Transformer Vs GAT

NLP 中大火的 Transformer 和 GAT 本質在做一樣的事情。Transformer 利用 self-attention 機制將輸入中的每個單詞用其上下文的加權來表示，而 GAT 是利用 self-attention 機制將每個節點用其鄰居的加權來表示。下面是經典的 Transformer 公式：

上述過程和 GAT 的核心思想非常相似：都是通過探索輸入之間的關聯性（注意力權重），通過對上下文信息（句子上下文/節點鄰居）進行聚合，來獲得各個輸入（單詞/節點）的表示。

Transformer 和 GAT 的主要區別是:

1.在 GAT 中，作者對自注意力進行了簡化。每個節點無論是作為中心節點/上下文/聚合輸出，都只用一種表示?。也就是說，在 GAT 中 Q=K=V

2.在圖上，節點的鄰居是一個集合，具有不變性。Transformer 將文本隱式的建圖過程中丟失了單詞之間的位置關系，這對 NLP 的一些任務是很致命的。為了補償這種建圖損失的位置關系，Transformer 用了額外了的位置編碼來描述位置信息

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三. Multi-head Attention

因為只計算一次attention，很難捕獲鄰居所有的特征信息，《Attention is all you need》論文中進一步完善了attention機制，提出了multi-head attention ，其實很簡單，就是重復做多次attention計算），如下圖所示：

其中，?表示一個可訓練的參數向量, 用來學習節點和鄰居之間的相對重要性，?也是一個可訓練的參數矩陣，用來對輸入特征做線性變換，表示向量拼接(concate)。

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本文也使用了multi-head attention：學習K個不同的attention，對應參數?，然后在生成節點i的新特征時拼接起來

如果在整個圖神經網絡的最后一層，使用平均替代拼接，得到節點最終的embedding：

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四. GAT VS GCN

1.?與GCN的聯系與區別

無獨有偶，我們可以發現本質上而言：GCN與GAT都是將鄰居頂點的特征聚合到中心頂點上（一種aggregate運算），利用graph上的local stationary學習新的頂點特征表達。不同的是GCN利用了拉普拉斯矩陣，GAT利用attention系數。一定程度上而言，GAT會更強，因為頂點特征之間的相關性被更好地融入到模型中。

2.? 為什么GAT適用于有向圖？

我認為最根本的原因是GAT的運算方式是逐頂點的運算（node-wise），這一點可從公式（1）—公式（3）中很明顯地看出。每一次運算都需要循環遍歷圖上的所有頂點來完成。逐頂點運算意味著，擺脫了拉普利矩陣的束縛，使得有向圖問題迎刃而解。

3. 為什么GAT適用于inductive任務？

GAT中重要的學習參數是?W?與?a(·)?，因為上述的逐頂點運算方式，這兩個參數僅與頂點特征相關，與圖的結構毫無關系。所以測試任務中改變圖的結構，對于GAT影響并不大，只需要改變?Ni，重新計算即可。

與此相反的是，GCN是一種全圖的計算方式，一次計算就更新全圖的節點特征。學習的參數很大程度與圖結構相關，這使得GCN在inductive任務上遇到困境。

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補充. Message Passing

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的[图神经网络] 图节点Node表示---GAT的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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