【深度学习】13. 图神经网络GCN，Spatial Approach, Spectral Approach

图神经网络

图结构 vs 网格结构

传统的深度学习（如 CNN 和 RNN）在处理网格结构数据（如图像、语音、文本）时表现良好，因为这些数据具有固定的空间结构。然而，真实世界中的很多数据并不遵循网格结构，而是以图的形式存在，例如：

• 社交网络
• 引文网络
• 通信网络
• 多智能体系统
• 分子结构
• 蛋白质相互作用网络

这些图结构数据的特点包括：

• 每个节点的邻居数量不固定
• 邻居之间没有隐含的顺序
• 卷积核大小不固定
• 权重无法按照固定顺序排列

因此，CNN 等传统架构无法直接应用于图结构数据中。

图卷积网络（GCN）简介

图卷积网络（GCN）旨在从图数据中提取特征。核心思想是：

• 将节点的邻居信息进行聚合
• 并通过权重参数进行变换
• 使得图中的节点能够学习到更好的表示

图的表示形式（Preliminaries）

基本图结构

一个图通常记为 $G=(V,E)$，其中：

• V = { v i ∣ i = 1 , … , N } V = \{v_i \mid i = 1, \dots, N\} V={vi​∣i=1,…,N} 表示节点集合，共有 $N$ 个节点
• E = { e i j ∣ v i 与  v j 相连 } E = \{e_{ij} \mid v_i \text{ 与 } v_j \text{ 相连} \} E={eij​∣vi​ 与 vj​ 相连} 表示边集合

图的表示方式

1. 边列表（Edge List）：所有边组成的列表，如
   $$(a,b),(a,d),(a,e),(b,c),(b,d),(b,e),(c,d),(d,e)$$
2. 邻接矩阵（Adjacency Matrix）：一个 $N\times N$ 的矩阵 $A$，其中 $A_{ij}=1$ 表示节点 $v_i$ 与 $v_j$ 有边连接，否则为 0。
3. 具有自连接的邻接矩阵（Adjacency matrix with self connections）：在2的基础上，对角线全为1，自己和自己都为1
4. 带权邻接矩阵（Weighted Adjacency Matrix）：矩阵中的每个元素是边的权重 $w_{ij}$。
5. 度矩阵（Degree Matrix）：一个对角矩阵 $D$，其中 $D_{ii}$ 表示节点 $v_i$ 的度数（连接的边数）。

图的基本属性（Basic Properties）

• 稠密图（Dense Graph）：边的数量接近 $O(N^2)$，例如社交网络中的名人图谱。

• 稀疏图（Sparse Graph）：边的数量接近 $O(N)$，大部分节点只有少量连接。

  

• 有向图 vs 无向图：

  • 有向图中每条边有方向，邻接矩阵可能是不对称的。
  • 无向图中边没有方向，邻接矩阵是对称的。

  

• 连通分量（Connected Components）：
  一个连通分量是一个子图，其中任意两个节点之间都有路径相连。

图神经网络中的常用表示

• $G=(V,E)$：图由节点集合 $V$ 和边集合 $E$ 构成。

• V = { v i ∣ i = 1 , … , N } V = \{v_i \mid i = 1, \dots, N\} V={vi​∣i=1,…,N}：节点集合，包含 $|V|=N$ 个节点。

• E = { e i j ∣ v i 与  v j 有边相连 } E = \{e_{ij} \mid v_i \text{ 与 } v_j \text{ 有边相连} \} E={eij​∣vi​ 与 vj​ 有边相连}：边集合，记录节点之间的连接关系。

• $X\in {\mathbb{R}}^{N\times d}$：节点属性矩阵，$d$ 为每个节点的特征维度。

• 邻接矩阵 $A\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$，其中 A i j ∈ { 0 , 1 } A_{ij} \in \{0, 1\} Aij​∈{0,1} 表示边 $e_{ij}$ 是否存在。

• 单位矩阵 $I_N$：$N\times N$ 的单位矩阵，用于表示节点的自连接（self-connection）。

• 带自环的邻接矩阵 $\hat{A}=A+I_N$：在原始邻接矩阵基础上加入自环。

• 节点的度数（Degree）：某个节点连接的边的数量。

• 度矩阵 $D\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$：从邻接矩阵 $A$ 计算得出，是对角矩阵，其对角线元素表示每个节点的度。

• 自环度矩阵 $\hat{D}\in {\mathbb{R}}^{N\times N}$：从带自环的邻接矩阵 $\hat{A}$ 计算得到。

CNN 中的卷积 vs GCN 中的卷积

CNN 中的像素更新（标准卷积）

对于一张图片的像素，使用 $3\times 3$ 卷积核：

$$h_i^{(l+1)}=\sigma (W_1^{(l)}{h}_1^{(l)}+W_2^{(l)}{h}_2^{(l)}+\cdots +W_9^{(l)}{h}_9^{(l)})$$

GCN 中的节点更新（图卷积）

使用公式：

$$H^{(l+1)}=\sigma ({\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}{H}^{(l)}{W}^{(l)})$$

其中：

• $\tilde{A}$ 是加入自环的邻接矩阵
• $\tilde{D}$ 是其对应的度矩阵
• $H^{(l)}$ 是第 $l$ 层的节点表示
• $W^{(l)}$ 是可训练参数矩阵
• $\sigma$ 是非线性激活函数

该形式实现了特征归一化的图卷积操作。

图卷积操作的标准形式（Spatial Approach）

在空间方法（Spatial-based GCN）中，图卷积的更新规则如下：

$$h_i^{(l+1)}=\sigma \left(h_i^{(l)}{W}_0^{(l)}+\sum _{j\in {\mathcal{N}}_i}\frac{1}{c_{ij}}{h}_j^{(l)}{W}_1^{(l)}\right)$$

其中：

• ${\mathcal{N}}_i$ 表示节点 $i$ 的邻居集合
• $W_0^{(l)}$ 和 $W_1^{(l)}$ 为权重矩阵
• $c_{ij}$ 是归一化常数（可设为固定值或可训练）
• $\sigma$ 是非线性激活函数（如 ReLU）

优点：

• 权重共享，空间结构不变
• 排列的不变性
• 对节点顺序不敏感（Permutation invariant）
• 线性复杂度O(E)，适用于大规模稀疏图

缺点：

• 仅间接支持边缘特征
• 多层堆叠需要残差结构以避免过平滑（over-smoothing）
• 需要闸门机制/深度残余连接(如果nodes太多，一半需要去掉一些信息)

Kipf & Welling 的 GCN 模型（2017）

Kipf & Welling 提出的图卷积网络是一种半监督学习方法，其更新公式为：

$$H^{(l+1)}=\sigma \left({\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}{H}^{(l)}{W}^{(l)}\right)$$

其中：

• $\tilde{A}=A+I$：加入自环的邻接矩阵
• $\tilde{D}$ 是 $\tilde{A}$ 的度矩阵
• $W^{(l)}$ 是第 $l$ 层的权重矩阵
• $\sigma$ 是非线性激活函数

网络结构如下：

1. 输入：节点特征矩阵 $X$
2. 第一层图卷积：$H^{(1)}=\text{ReLU}(\hat{A}X{W}^{(0)})$
3. 第二层输出：$Z=\text{softmax}(\hat{A}{H}^{(1)}{W}^{(1)})$

该模型被广泛用于半监督节点分类任务。

图卷积更新公式的空间方法详解

图卷积的一般更新形式如下：

$$h_i^{(l+1)}=\sigma \left(h_i^{(l)}{W}_0+\sum _{j\in {\mathcal{N}}_i}\frac{1}{c_{ij}}{h}_j^{(l)}{W}_1\right)$$

其中：

• ${\mathcal{N}}_i$ 表示节点 $i$ 的邻居集合；
• $W_0$ 是自身的权重矩阵；
• $W_1$ 是所有邻居共享的权重矩阵；
• $c_{ij}$ 是归一化因子（如邻居数、可学习权重）；
• $\sigma$ 是非线性激活函数（如 ReLU）。

该空间方法强调局部邻居信息聚合，具有如下性质：

• 权重共享，适应不同图结构；
• 对邻居节点的顺序不敏感（Permutation Invariant）；
• 时间复杂度为 $O(E)$，适用于大规模图。
• Applicable both in transductive(access to test set) and inductive(sperate test set)

GCN 计算示例

假设节点为 $a,b,c,d,e$，图的邻接矩阵 $A$ 为：

$$A=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 0& 1& 1\\ 1& 0& 1& 1& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0& 1\\ 1& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]$$

加入自环后得到：

$$\tilde{A}=A+I=\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& 0& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1\\ 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 0& 1& 1\end{array}\right]$$

该过程表示：每个节点与其邻居（含自身）对应特征值相加，未做归一化。
$$H^{(l+1)}=\sigma (\tilde{A}{H}^l{W}^l)$$

GCN 的特征归一化

为避免特征总量随度数增长，需对 $\tilde{A}$ 进行对称归一化：

$$\hat{A}={\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}$$

$$H^{(l+1)}=\sigma ({\tilde{D}}^{-1}\tilde{A}{H}^l{W}^l)$$

其中，度矩阵 $\tilde{D}$ 为：
$$\tilde{D}=\left[\begin{array}{ccccc}4& 0& 0& 0& 0\\ 0& 5& 0& 0& 0\\ 0& 0& 3& 0& 0\\ 0& 0& 0& 5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 4\end{array}\right]$$

$$D^{-1}\hat{A}=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{1}{4}& \frac{1}{4}& 0& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}\\ 0& \frac{1}{3}& \frac{1}{3}& \frac{1}{3}& 0\\ \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}& \frac{1}{5}\\ \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& 0& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\end{array}\right]$$
这样更新会有个问题，ab ≠ ba，不是对称矩阵，所以将D分成2个。

GCN 标准更新公式

标准 GCN 更新层表示如下：

$$H^{(l+1)}=\sigma \left({\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}{H}^{(l)}{W}^{(l)}\right)$$

该式通过对邻接矩阵的对称归一化：

• 保持了特征值分布的稳定；
• 实现了特征传播不随度数膨胀；
• 简洁且高效，成为主流 GCN 实现方式。

该矩阵乘法等价于三步：

1. $H^{(l)}$ 通过权重矩阵 $W^{(l)}$ 投影；
2. 使用归一化矩阵 $\hat{A}$ 聚合邻居；
3. 应用非线性激活函数 $\sigma$。

GCN 中对称归一化公式的逐步推导与解释

我们从标准的图卷积操作出发：

$$H^{(l+1)}={\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}{H}^{(l)}$$

关注第 $i$ 个节点的输出 $H_i^{(l+1)}$，即第 $i$ 行的表示：

$$H_i^{(l+1)}={\left({\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-1/2}{H}^{(l)}\right)}_i$$

将矩阵乘法拆解成向量形式：

1. 首先将左侧乘法与右侧拆分：

$$={\left({\tilde{D}}^{-1/2}\tilde{A}\right)}_i\cdot {\tilde{D}}^{-1/2}H$$

2. 用求和展开：

$$=\left(\sum _k{\tilde{D}}_{ik}^{-1/2}{\tilde{A}}_{kj}\right){\tilde{D}}^{-1/2}H$$

3. 注意 $\tilde{D}$ 是对角矩阵，仅对角线非零，即 ${\tilde{D}}_{ik}^{-1/2}=0$ 当 $i\ne k$：

$$={\tilde{D}}_{ii}^{-1/2}\sum _j{\tilde{A}}_{ij}{\tilde{D}}_{jj}^{-1/2}{H}_j$$

将所有常数合并成一项，得到最终形式：

$$H_i^{(l+1)}=\sum _j\frac{1}{\sqrt{{\tilde{D}}_{ii}{\tilde{D}}_{jj}}}{\tilde{A}}_{ij}{H}_j$$

每个邻居 $j$ 对 $H_i^{(l+1)}$ 的影响

该公式表示：

节点 $i$ 的新表示 $H_i^{(l+1)}$ 是其所有邻居 $j$ 的表示 $H_j$ 的加权平均。

权重部分为：

$$w_{ij}=\frac{1}{\sqrt{{\tilde{D}}_{ii}{\tilde{D}}_{jj}}}$$

• ${\tilde{A}}_{ij}=1$ 表示 $j$ 是 $i$ 的邻居（包括自环）
• $H_j$ 是邻居 $j$ 的特征表示
• ${\tilde{D}}_{ii}$ 和 ${\tilde{D}}_{jj}$ 是节点 $i$ 和 $j$ 的度（含自环）

$j$ 如何对 $i$ 有更大的影响？

邻居 $j$ 对节点 $i$ 的影响取决于 这个分母：

$$\sqrt{{\tilde{D}}_{ii}{\tilde{D}}_{jj}}$$

因此：

• 若 $j$ 的度数 ${\tilde{D}}_{jj}$ 越小，即 $j$ 越“稀疏”或不太活跃，它的特征 $H_j$ 在这个加权和中占比越大；
• 若 $j$ 是一个“中心节点”连接了很多邻居（度很大），则 ${\tilde{D}}_{jj}$ 大，导致它对 $i$ 的影响反而被 弱化。

示例：

• 若 $i$ 和 $j$ 都只有 2 个连接（含自环），则权重为 $\frac{1}{\sqrt{2\cdot 2}}=0.5$
• 若 $j$ 是高阶节点，${\tilde{D}}_{jj}=10$，则权重是 $\frac{1}{\sqrt{2\cdot 10}}\approx 0.22$
• 说明：低度的邻居在信息传播中影响力更大，高度节点被稀释

GCN 模型结构与任务

Kipf & Welling 的 GCN 被广泛用于半监督分类任务，模型结构如下：

• 输入：特征矩阵 $X\in {\mathbb{R}}^{N\times d}$

• 第一层：
  $$H^{(1)}=\text{ReLU}(\hat{A}X{W}^{(0)})$$

• 输出层：
  $$Z=\text{softmax}(\hat{A}{H}^{(1)}{W}^{(1)})$$

常见任务包括：

• 节点分类（Node Classification）：
  $${\hat{y}}_i=\text{softmax}(z_i)$$

• 边预测（Link Prediction）：
  $$p(A_{ij})=\sigma (z_i^T{z}_j)$$

• 图级分类（Graph Classification）：
  使用聚合操作如全局平均池化后接多层感知机（MLP）。
  $${\hat{y}}_i=\text{softmax}(\sum _n{z}_n)$$

GCN 模型仅需少量标注节点即可训练整图，是图神经网络的基础模型之一。

谱方法（Spectral Approach）下的图卷积网络

谱方法通过图拉普拉斯矩阵对图信号进行傅里叶变换，并在频域上实现卷积操作。该方法理论上完整严谨，是最早期图卷积的基础。

图拉普拉斯矩阵的定义

• 非归一化图拉普拉斯矩阵：

  $$L=D-A$$

• 归一化图拉普拉斯矩阵：

  $$L^{\prime }=I-D^{-\frac{1}{2}}A{D}^{-\frac{1}{2}}$$

其中 $A$ 是邻接矩阵，$D$ 是度矩阵，$I$ 是单位矩阵。

卷积定理与频域操作

在经典信号处理中，有如下结论：

在合适条件下，两个信号卷积的傅里叶（或拉普拉斯）变换等于它们各自傅里叶变换的逐点乘积。

对于图信号 $f$ 和滤波器 $h$，有：

$$f\ast h={\mathcal{F}}^{-1}\left[\mathcal{F}(f)\cdot \mathcal{F}(h)\right]$$

一维傅里叶变换的本质

经典傅里叶变换是将信号 $f$ 展开在复指数函数基底 $e^{i\omega x}$ 上。这些复指数正是一维拉普拉斯算子的特征函数，满足：

$$Lu=\lambda u$$

一维拉普拉斯算子与经典傅里叶变换的关系

经典傅里叶变换定义为：

$$\hat{f}(\xi )=⟨f,e^{2\pi i\xi t}⟩={\int }_{\mathbb{R}}f(t)e^{2\pi i\xi t}dt$$

即将信号 $f$ 展开为复指数函数 $e^{2\pi i\xi t}$ 的线性组合。

这些复指数函数 $e^{2\pi i\xi t}$ 是一维拉普拉斯算子 $\Delta$ 的特征函数。

我们来看具体推导：

$$-\Delta \left(e^{2\pi i\xi t}\right)=-\frac{{\partial }^2}{\partial t^2}{e}^{2\pi i\xi t}=(2\pi \xi {)}^2{e}^{2\pi i\xi t}$$

说明 $e^{2\pi i\xi t}$ 是 $\Delta$ 的特征函数，特征值为 $(2\pi \xi {)}^2$。

这一结论可抽象表达为：

$$Lu=\lambda u$$

其中：

• $L$ 是拉普拉斯算子（在图上也记为 $L$）
• $u$ 是特征函数（在傅里叶中为 $e^{2\pi i\xi t}$）
• $\lambda$ 是对应特征值

这为图谱方法中“频域展开”提供了数学基础：傅里叶基底是拉普拉斯算子的本征函数。

图傅里叶变换与拉普拉斯特征分解

令 $L=U\Lambda U^T$ 为图拉普拉斯矩阵的特征值分解（$U$ 为特征向量矩阵，$\Lambda$ 为对角特征值矩阵），则有：

• 图傅里叶变换：

  $$\hat{f}=U^{T}f$$

  $$\hat{h}=U^{T}h$$

• 图傅里叶逆变换：

  $$f=U\hat{f}$$

图上的卷积操作

图信号与滤波器的卷积在频域中表示为：

$$f\ast h=U(\hat{f}\odot \hat{h})=U(U^{T}f\odot U^{T}h)$$

其中 $\odot$ 表示逐元素乘积。

第一版谱图卷积（Spectral Network）

Bruna 等人提出的谱卷积形式为：

$$y=\sigma (U{g}_{\theta }(\Lambda )U^{T}x)$$

其中 $g_{\theta }(\Lambda )$ 是学习到的频域滤波器：

$$g_{\theta }(\Lambda )=\left[\begin{array}{cccc}{\theta }_0& 0& \cdots & 0\\ 0& \ddots & & ⋮\\ ⋮& & \ddots & 0\\ 0& \cdots & 0& {\theta }_n\end{array}\right]$$

该方法缺点：

• 无空间局部性；
• 参数数量与节点数相同；
• 每次前向传播需特征分解，开销大。

第二版谱图卷积：局部化滤波器

为了缓解参数过多的问题，提出使用多项式表示滤波器：

$$g_{\alpha }(\Lambda )=\sum _{k=0}^K{\alpha }_k{\Lambda }^k$$

对应卷积变为：

$$y=\sigma (U{g}_{\alpha }(\Lambda )U^{T}x)=\sigma \left(\sum _{k=0}^K{\alpha }_k{L}^{k}x\right)$$

优点：

• 不需特征分解；
• 有空间局部性（$k$ 阶表示 $k$ 距离内邻居）；
• 参数数为 $K$，小于 $n$。

第三版谱图卷积：Chebyshev 多项式展开

用 Chebyshev 多项式对谱滤波器逼近，定义为：

$$T_0(x)=1,T_1(x)=x,T_k(x)=2x{T}_{k-1}(x)-T_{k-2}(x)$$

令：

$$\tilde{\Lambda }=\frac{2\Lambda }{{\lambda }_{\max }}-I$$

则滤波器近似为：

$$g_{\theta }(\tilde{\Lambda })\approx \sum _{k=0}^K{\theta }_k{T}_k(\tilde{\Lambda })$$

因此卷积可写为：

$$y=\sigma \left(\sum _{k=0}^K{\theta }_k{T}_k(\tilde{L})x\right)$$

其中 $\tilde{L}=\frac{2L}{{\lambda }_{\max }}-I$

该方法是 Defferrard 等人提出，具有良好的数值稳定性与本地性。

GCN 的最终简化形式（Kipf & Welling）

Kipf 和 Welling 在 2017 年提出了图卷积网络（GCN）的简化谱方法，通过对 Chebyshev 多项式滤波器进行一阶近似，得到了一种高效的图卷积实现。

首先，从 Chebyshev 展开退化为一阶近似，即取 $K=1$，并使用如下形式：

$$g_{\theta }\ast x\approx \theta \left(I+D^{-\frac{1}{2}}A{D}^{-\frac{1}{2}}\right)x$$

为了提升模型表达能力并确保节点信息自保留，加入自环：

$$\tilde{A}=A+I$$

计算新的度矩阵：

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

最终得到了标准的 GCN 卷积层表达形式：

$$H^{(l+1)}=\sigma \left({\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}{H}^{(l)}{W}^{(l)}\right)$$

其中：

• $\tilde{A}$ 是加入自环的邻接矩阵；
• $\tilde{D}$ 是 $\tilde{A}$ 对应的度矩阵；
• $H^{(l)}$ 是第 $l$ 层节点特征矩阵；
• $W^{(l)}$ 是第 $l$ 层可学习权重；
• $\sigma$ 是非线性激活函数，如 ReLU。

这一形式不再依赖拉普拉斯的特征分解，计算效率高，可在整个图上批处理所有节点，是现代 GCN 应用中的标准实现。