问题

如何理解链接预测(link prediction)?

回答
想象一下,你有一张错综复杂的人际关系网,就像一张巨大的社交网络图。每个人都是一个节点,而朋友关系就是连接这些节点的线。链接预测,就好比是预测谁会成为谁的朋友,或者说,预测这张关系网中,未来可能会出现哪些新的连接。

这玩意儿可不只是在社交网络里玩。想想看:

推荐系统: 像电商网站,预测你会买什么东西,或者视频平台,预测你会喜欢看什么视频。这背后其实就是在预测“你”这个节点和“商品/视频”这个节点之间,会不会产生一个“购买/观看”的连接。
生物医学: 科学家们在研究蛋白质之间的相互作用,或者药物和疾病之间的关系。预测新的蛋白质会结合,或者新的药物对某种疾病有效,这就是在预测生物网络中的链接。
交通网络: 预测城市之间会不会出现新的航班或者火车线路,也是一种链接预测。
知识图谱: 比如 Wikipedia 上的条目,以及它们之间的关系。预测“牛顿”和“万有引力”之间会不会出现一个“提出”的连接,也是链接预测。

核心思想:利用现有的结构和特征来预测未知。

最根本的道理,就是“物以类聚,人以群分”。如果两个人有很多共同的朋友,那么他们成为朋友的可能性就会大大增加。反过来,如果两个人生活在完全不同的领域,几乎没有任何交集,那么他们建立联系的可能性就比较小。

链接预测就是在数学和算法的层面上,把这种直觉和观察变成一种可量化的预测。

怎么做呢?

就像你侦探一样,要分析线索。对于链接预测来说,这些线索就是图的结构和节点的属性。

1. 基于图结构的相似性指标 (Structural Similarity Measures):

这是最直观也最常用的方法。我们看看两个节点(比如两个人)在图中的“邻居”们,是不是很相似。

共同邻居 (Common Neighbors): 这是最简单的指标。A 和 B 有多少个共同的朋友?如果 A 和 B 都有一个共同的朋友 C,那么 A 和 B 成为朋友的可能性就比没有共同朋友的 C 和 D 要高。
思考: 就像两个人可能因为一个共同的朋友介绍而认识一样。
Jaccard 系数 (Jaccard Coefficient): 这个指标更进一步,它衡量的是共同邻居占所有邻居的比例。A 和 B 的共同邻居数量,除以 A 的所有邻居和 B 的所有邻居的总并集。
思考: 即使两个人有相同的几个朋友,但如果他们自己的朋友圈子都非常大,那么这几个共同朋友的“重要性”相对就没那么高了。Jaccard 系数能反映这一点。
AdamicAdar 指数 (AdamicAdar Index): 这个指标比共同邻居更聪明一些。它认为,那些“不那么常见”的共同邻居(也就是拥有邻居数量较少的节点)更能证明 A 和 B 之间的相似性。
思考: 想象一下,如果你和一个只有几个朋友的“小圈子”里的人都认识,这可能更能说明你们的圈子有重叠。而如果你和一个“社交达人”都认识,那并不能说明太多东西,因为那个社交达人认识太多人了。AdamicAdar 指数就是给这些“不那么常见”的共同邻居更高的权重。
Preferential Attachment (偏好连接): 这个理论认为,度数越高的节点(朋友越多的人)越容易吸引新的连接。所以,如果 A 和 B 都认识很多朋友,那么 A 和 B 之间出现新的连接的可能性也可能更高。
思考: 就像名人更容易和名人成为朋友一样,受欢迎的人更容易和受欢迎的人产生交集。
Katz 指数 (Katz Index): 这个指标考虑了路径的长度。它认为,如果 A 和 B 之间有很多短路径(比如长度为 2 的路径,也就是通过一个共同邻居),那么 A 和 B 之间的相似性就越高。路径越长,影响越小。
思考: 你的朋友的朋友(距离 2)比你朋友的朋友的朋友(距离 3)更可能成为你的朋友。

2. 基于节点特征的相似性 (Featurebased Similarity):

有时候,光看图的结构不够,我们还需要看节点本身的“属性”。

协同过滤 (Collaborative Filtering): 这是推荐系统里最经典的一种。
基于用户的协同过滤: 如果用户 A 和用户 B 喜欢(或购买、观看)很多相同的东西,那么用户 A 可能会喜欢用户 B 也喜欢的但 A 还没接触过的东西。这就预测了一个“用户”和“物品”之间的“喜欢”链接。
基于物品的协同过滤: 如果物品 X 和物品 Y 经常被同一批用户喜欢,那么喜欢物品 X 的用户也可能喜欢物品 Y。这就预测了一个“用户”和“物品”之间的“喜欢”链接,但侧重点是物品之间的关联。
内容相似性 (Content Similarity): 如果两个商品有相似的描述、类别、品牌,或者两个用户有相似的个人资料(年龄、职业、兴趣),那么它们之间产生联系的可能性就更大。
思考: 如果你喜欢科幻小说,并且也喜欢《星球大战》,那么网站可能会推荐你也喜欢《星际迷航》,因为它们都属于科幻题材。

3. 混合方法 (Hybrid Methods):

大多数现实世界的链接预测会结合以上两种方法,取长补短。

4. 基于嵌入的学习方法 (Embeddingbased Methods):

这是近年来非常热门的方法。它的核心思想是,把图中的节点和链接“映射”到一个低维的向量空间中,就像给每个节点都分配一个“特征向量”。

图嵌入 (Graph Embeddings): 像 Node2Vec, DeepWalk, LINE 等算法,它们学习节点的向量表示,这些向量能够捕捉节点在图中的结构信息和上下文信息。
思考: 就像你把每个人画在一个二维平面上,关系越近的人,在平面上的距离也越近。
如何预测链接? 一旦有了节点的向量表示,预测两个节点之间是否存在链接,就变成了计算它们向量的相似度。比如,计算它们的内积、余弦相似度等。如果相似度很高,就预测它们之间可能存在链接。
思考: 如果 A 和 B 的“位置”在向量空间里很接近,那它们成为朋友的可能性就大。
知识图谱嵌入 (Knowledge Graph Embeddings): 像 TransE, ComplEx, RotatE 等算法,专门用于学习知识图谱中实体和关系的嵌入。它们不仅能捕捉实体之间的关系,还能捕捉关系的“类型”。
思考: 这就好像不仅仅是知道“牛顿”和“万有引力”有联系,还能知道他们之间是“提出”的关系。

5. 机器学习模型 (Machine Learning Models):

我们可以把链接预测看作是一个二分类问题:给定两个节点,预测它们之间是否存在链接。

特征工程: 上面提到的各种相似性指标(共同邻居、Jaccard 系数等)都可以作为特征。
模型选择: 然后可以使用逻辑回归、支持向量机 (SVM)、随机森林、梯度提升树 (GBDT) 等机器学习模型来训练。
深度学习模型: 近年来,图神经网络 (GNNs) 在链接预测领域取得了巨大的成功。GNNs 可以直接从图的结构中学习节点的表示,并且能够有效地捕捉复杂的局部和全局结构信息。

一个典型的链接预测流程:

1. 数据表示: 将你的网络表示成一个图(节点和边)。
2. 特征提取: 计算节点对之间的各种相似性指标,或者使用图嵌入方法学习节点的向量表示。
3. 模型训练:
监督学习: 准备一个训练集,包含已知存在链接的节点对(正样本)和已知不存在链接的节点对(负样本)。使用这些数据训练一个分类器。
无监督学习: 直接利用图的结构和节点特征,学习嵌入表示,然后通过嵌入的相似度来预测链接。
4. 链接预测: 对所有(或部分)未连接的节点对,使用训练好的模型进行预测,输出一个链接存在的概率(或者一个分数)。
5. 排序和应用: 将预测结果按照概率从高到低排序,高概率的节点对就是我们预测未来可能出现的链接。

挑战与注意事项:

负样本的选择 (Negative Sampling): 在监督学习中,如何选择那些“确定不存在”的节点对作为负样本非常重要。如果负样本选择不当,会影响模型的准确性。
大规模图的处理: 真实的社交网络、万维网等图规模非常巨大,如何高效地处理这些大规模图是关键。
动态网络 (Dynamic Networks): 网络是不断变化的,新的节点和链接会不断出现。如何处理动态网络中的链接预测是另一个重要方向。
冷启动问题 (Cold Start Problem): 对于新加入的网络节点,如果它们几乎没有连接,那么很难预测它们会和谁建立联系。
解释性 (Interpretability): 有些模型(尤其是深度学习模型)的预测结果可能难以解释,为什么它们预测 A 和 B 会成为朋友?

总而言之,链接预测就像在探索一个充满可能性的世界,我们利用已知的“线索”去预测未知的“连接”。它是一种非常强大和有用的技术,可以帮助我们理解复杂系统的结构和动态,并做出更明智的预测。

网友意见

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泻药。

人们永远生活在无知的洞穴中,所见的实际是对象的影子,而不是其本身。—— 柏拉图

总的来说,Link Prediction 是一个 Graph 问题,它的目标是根据已知的节点和边,得到新的边(的权值/特征)。但是,就像楼上两个同学解释的一样,Link Prediction 的外延广泛,横看成岭侧成峰,因此同学们对它的理解也千差万别。

在不同的 task 中,Link Prediction 被用于:

  1. 在社交网络中,进行用户/商品推荐

2. 在生物学领域,进行相互作用发现

3. 在知识图谱中,进行实体关系学习

4. 在基础研究中,进行图结构捕捉

在不同的 work 中,Link Prediction 还会被称为(可以使用这些关键词检索哦):

  1. Edge Embedding/Classification

2. Relational Inference/Reasoning

3. Graph Generation(一种是从节点生成边,另一种是从噪声生成图,前者是 Link Prediction)

最近 Graph Convolution 比较火,这里推荐几个基于 Graph Convolution 的 Link Prediction。下文中的代码实现大部分来自 pytorch_geomatric,实现优雅,值得一看~

GAE

使用自动编码器进行 Link Prediction 是 kipf 两三年前的工作,模型简洁,效果也还不错。模型包括编码器和解码器两部分。

编码器

Graph 上的编码器使用的是 GCN,即:

GCN 主要做了两件事(如果不了解详情,请点击这里):

1. 抓住决定实体关系的主要特征,剔除冗余特征,获得推理能力

如果在好友推荐任务中,我们可以这样理解:决定好友关系的特征有很多,比如性别、受教育水平、爱好、星座、颜值、装逼水平等等。但是在实际社交网络中,我们会发现只有极少数星座狂热分子会根据星座决定自己的好友关系。在剔除这些扰动后,我们可能会得到一个复杂的规律,比如两个喜欢追番的男研究生一定会成为朋友。

2. 将节点特征与周围节点特征融合

如果在好友推荐任务中,我们可以这样理解:好友关系的建立不仅与一个人的自身特点有关,还和他的交友偏好有关。比如肥宅更喜欢关注美女,他的朋友都是美女。我们就不能因为他是男性而给他推荐其他男性。

GAE 的编码的处理过程如下:

单层的 GCN 一般效果较差,因此我们通常采用多层 GCN:

       class EncoderGCN(nn.Module):     def __init__(self, n_total_features, n_latent, p_drop=0.):         super(EncoderGCN, self).__init__()         self.n_total_features = n_total_features         self.conv1 = GCNConv(self.n_total_features, 11)         self.act1=nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv2 = GCNConv(11, 11)         self.act2 = nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv3 = GCNConv(11, n_latent)      def forward(self, data):         x, edge_index = data.x, data.edge_index         x = self.act1(self.conv1(x, edge_index))         x = self.act2(self.conv2(x, edge_index))         x = self.conv3(x, edge_index)         return x     

解码器

在很多任务中,编码器和解码器使用对偶结构。在 Link Prediction 任务中不是如此,而更像一个分段任务:编码器完成了对节点的编码工作,而解码器需根据节点解码生成边。根据节点特征计,计算边的方法有很多。GAE 使用的是节点特征的点积 + 激活函数,即:

这种方法在计算上比较简洁,可以被理解为两个节点的独立事件概率相乘。

如果在好友推荐任务中,我们可以这样理解:肥宅很想和一位美女交朋友,他与女性的交友意愿(概率)为 0.98,但是这位美女很讨厌肥宅,认为男人都是大猪蹄子,她与男性的交友意愿(概率)为 0.01,那么最终他们的交友概率就会变为 0.09(残忍的舍入了)。

GAE 的解码器的处理过程如下:

实现起来比较简单:

       class DecoderGCN(nn.Module):     def __init__(self):         super(DecoderGCN, self).__init__()              def forward(self, z):         A = torch.mm(z, torch.t(z))         A = torch.sigmoid(A)         return A     

损失函数

可以看到,在整个过程中,有训练参数的只有编码器。要优化这些训练参数,需要一个损失函数计算 和 的相似度(即每条边存在的概率分布与 ground truth 的差距)。这里直接使用交叉熵就好了。

GVAE

上面的 GAE 用于重建(数据压缩和还原)效果还不错,但是如果用于生成就有点捉襟见肘了。要模型计算多样化的 ,就需要我们提供多样化的 。而 又是由输入数据计算而来的,在拿到目标 Graph 之前,只有上帝才知道要提供什么样的 。

那么有没有办法让模型根据已知的 进行微调呢?VAE 已经替我们解决了这个问题。

编码器:

为了进行微调,在生成 的过程中,我们不直接通过映射得到 ,而是先计算 在每个维度上的所有取值的概率(分布)。在得到概率分布后,我们只需要根据概率分布,产生一组随机变量就可以得到微调后的 了。为了便于计算,我们将这个分布约束为高斯分布(只需要确定平均值和标准差就可以确定分布表达式啦)。

GVAE 的编码器处理过程如下:


在好友推荐任务中,我们可以这么理解:有一个肥宅,他是游戏宅的可能性为 0.4-0.5,他是动漫宅的可能性是 0.5-0.6。如果不进行随机采样,他很有可能一直被认定为动漫宅,因而没办法认识新的游戏宅朋友。而进行随机采样的话,他还是很有可能会被认定为游戏宅,从而被推荐游戏宅朋友的。

具体来说,我们把编码器的输出改成了 在每个维度上的(概率分布的)平均值和标准差。我们将使标准差与 (随机生成的变量)相乘,再与平均值相加,得到高斯分布上采样到的一个 :

实现起来也比较简单:

       class EncoderGCN(nn.Module):     def __init__(self, n_total_features, n_latent, p_drop=0.):         super(EncoderGCN, self).__init__()         self.n_total_features = n_total_features         self.conv1 = GCNConv(self.n_total_features, 11)         self.act1=nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv2 = GCNConv(11, 11)         self.act2 = nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv3 = GCNConv(11, n_latent)      def forward(self, data):         x, edge_index = data.x, data.edge_index         x = self.act1(self.conv1(x, edge_index))         x = self.act2(self.conv2(x, edge_index))         x = self.conv3(x, edge_index)         return x  def reparametrize(self, mean, log_std):     if self.training:         return mean + torch.randn_like(log_std) * torch.exp(log_std)     else:         return mean  def encode(self, *args, **kwargs):     r""""""     self.mean, self.log_std = self.encoder(*args, **kwargs)     z = self.reparametrize(self.mean, self.log_std)     return z     

解码器

我们仍然沿用 GAE 的做法。

损失函数

在上文中,我们假设 的概率分布为高斯分布。因此,在损失函数中我们还需要添加这个约束,在训练参数的优化过程中,使 的分布逼近高斯分布。要达到这个目标,我们只需要最小化 的分布与高斯分布之间的差异,即优化 KL 散度即可:

到此为止,Graph Auto-encoder 已经进化成了 Graph Variational Auto-encoder。可喜可贺可喜可贺~

上述两个模型的代码可以看这里

ARGA

在 GVAE 的设计中,一个很关键的问题是:模型的编码器是否真的能够习得一个高斯分布。如果不能,我们按照高斯分布的采样毫无意义。

有没有办法让编码器显式地逼近高斯分布呢?AAE 已经替我们解决了这个问题。我们将 GAN 网络与 AutoEncoder 相结合,把模型分为生成器和检测器两部分。

生成器

生成器部分我们直接使用上文中介绍过的 GAE。通过编码器得到 ,再通过解码器生成 Graph。

       class EncoderGCN(nn.Module):     def __init__(self, n_total_features, n_latent, p_drop=0.):         super(EncoderGCN, self).__init__()         self.n_total_features = n_total_features         self.conv1 = GCNConv(self.n_total_features, 11)         self.act1=nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv2 = GCNConv(11, 11)         self.act2 = nn.Sequential(nn.ReLU(),                               nn.Dropout(p_drop))         self.conv3 = GCNConv(11, n_latent)      def forward(self, data):         x, edge_index = data.x, data.edge_index         x = self.act1(self.conv1(x, edge_index))         x = self.act2(self.conv2(x, edge_index))         x = self.conv3(x, edge_index)         return x      class DecoderGCN(nn.Module):     def __init__(self):         super(DecoderGCN, self).__init__()              def forward(self, z):         A = torch.mm(z, torch.t(z))         A = torch.sigmoid(A)         return A     

检测器

检测器中,我们需要产生一个真实的高斯分布,并进行抽样得到真实样本。接着,将抽样得到的正(+)样本和生成的负(-)样本 放入多层感知器进行区分。这样,『 的分布与高斯分布之间的差异』就可以用『 与 + 样本的差异』来替换了。

       class Discriminator(nn.Module):     def __init__(self, n_input):         super(Discriminator, self).__init__()         self.fcs = nn.Sequential(nn.Linear(n_input,40),                                  nn.ReLU(),                                  nn.Linear(40,30),                                  nn.ReLU(),                                  nn.Linear(30,1),                                  nn.Sigmoid())              def forward(self, z):         return self.fcs(z)      class ARGA(nn.Module):     def __init__(self, n_total_features, n_latent):         super(ARGA, self).__init__()         self.encoder = EncoderGCN(n_total_features, n_latent)         self.decoder = DecoderGCN()         self.discriminator = Discriminator(n_latent)              def forward(self, x):         z_fake = self.encoder(x)         z_real=torch.randn(z_fake.size())         A = self.decoder(z_fake)         d_real=self.discriminator(z_real)         d_fake=self.discriminator(z_fake)         return A, d_real, d_fake          def simulate(self, x):         z_fake = self.encoder(x)         A = self.decoder(z_fake)         return A     

损失函数

在生成器中,我们需要区分真实的邻接矩阵 和生成的邻接矩阵 :

       A_loss = nn.BCELoss(reduction='sum', weight=torch.tensor(weights, dtype=torch.float))(A_new, A_orig)     

在检测器中,我们需要区分从高斯分布抽样得到的样本(real)和 (fake):

       d_loss_real = nn.BCELoss(reduction='mean')(real, torch.ones(real.size())) d_loss_fake = nn.BCELoss(reduction='mean')(fake, torch.zeros(fake.size()))     

到此为止,Graph Variational Auto-encoder 已经进化成了 ARGA。可喜可贺可喜可贺~

推荐阅读

还有很多同样出色的工作,不方便一一列举,这里还是给新入坑的同学推荐几篇 Survey 吧:

A Survey of Link Prediction in Complex Networks

Link prediction in complex networks: A survey

A Comprehensive Survey of Graph Embedding(Edge embedding part)

Network Structure Inference, A Survey: Motivations, Methods, and Applications

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    “小孩子才分对错,成年人只看利弊”这句话,乍一听可能有些功利甚至冷酷,但深入剖析,它揭示了一种关于成长、认知和处世态度的深刻变化。这句话并不是说成年人完全泯灭了道德感,而是强调在复杂的社会现实中,判断的侧重点会发生微妙而重要的转移。我们来详细地理解这句话的各个层面:一、 “小孩子才分对错”:儿童的认.............

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