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无监督的GraphSAGE

加载 CORA 网络数据

按需采样的无监督GraphSAGE

无监督取样器（UnsupervisedSampler）

提取节点嵌入

节点嵌入的可视化

下流使命

数据拆分

分类器练习

无监督的图表明学习的用途

跟着更新迭代，代码不一定能彻底运转，仅供学习一下思想~

Stellargraph Unsupervised GraphSAGE是论文中所述GraphSAGE办法的完成：大图上的归纳表征学习。W.L. Hamilton, R. Ying, and J. Leskovec arXiv:1706.02216 [cs.SI], 2017。

本笔记本是一个简短的演示，阐明怎么运用Stellargraph无监督GraphSAGE来学习CORA引文网络中代表论文的节点的嵌入。此外，这个笔记本展现了在下流节点分类使命中运用学习到的嵌入（按主题对论文进行分类）。请留意，节点嵌入也可用于其他图机器学习使命，如链接猜测、社区检测等。

无监督的GraphSAGE

对无监督GraphSAGE图表明学习办法的高层次解说如下。

方针： 给定一个图，只运用图的结构和节点特征来学习节点的嵌入，而不运用任何已知的节点类别标签（因此是 “无监督的”；关于节点嵌入的半监督学习，见此演示）。

无监督的GraphSAGE模型： 在无监督GraphSAGE模型中，节点嵌入是经过解决一个简略的分类使命来学习的：给定一大组从图上进行的随机行走中发生的 “正”（方针、布景）节点对（即在随机行走中某个布景窗口内一同呈现的节点对），以及相同大的 “负 “节点对（依据某种散布从图上随机挑选），学习一个二进制分类器，猜测恣意节点对是否可能在图上进行的随机行走中一同呈现。经过学习这个简略的二进制节点对分类使命，该模型自动学习了从节点及其街坊的特点到高维向量空间中的节点嵌入的归纳映射，这保留了节点的结构和特征类似性。与Node2Vec等算法取得的嵌入不同，这种映射是归纳式的：给定一个新的节点（有特点）及其与图中其他节点的链接（在模型练习期间未见过），咱们可以评价其嵌入，而不必从头练习模型。

在咱们的无监督GraphSAGE的完成中，节点对的练习集是由图中平等数量的正负（方针，布景）节点对组成。阳性（方针，布景）节点对是在图上随机行走时一同呈现的节点对，而负节点对是从图的全局节点度散布中随机抽取的。

节点对分类器的结构如下：输入的节点对（含节点特征）与图结构一同被送入一对相同的GraphSAGE编码器，发生一对节点嵌入。然后，这些嵌入被送入一个节点对分类层，该层对这些节点嵌入应用一个二进制运算符（例如，衔接它们），并将发生的节点对嵌入经过一个线性变换和一个二进制激活（例如，sigmoid），从而为节点对猜测一个二进制标签。

整个模型经过最小化所挑选的丢失函数（例如，猜测的节点对标签和实在链接标签之间的二进制交叉熵），运用随机梯度下降法（SGD）更新模型参数来进行端到端的练习，按要求生成迷你批次的 “练习 “链接并输入模型。

从经过练习的分类器的编码器部分取得的节点嵌入可以用于各种下流使命。在这个演示中，咱们展现了这些怎么用于猜测节点标签。

# install StellarGraph if running on Google Colab
import sys
if 'google.colab' in sys.modules:
  %pip install -q stellargraph[demos]==1.2.1
# verify that we're using the correct version of StellarGraph for this notebook
import stellargraph as sg
try:
    sg.utils.validate_notebook_version("1.2.1")
except AttributeError:
    raise ValueError(
        f"This notebook requires StellarGraph version 1.2.1, but a different version {sg.__version__} is installed.  Please see <https://github.com/stellargraph/stellargraph/issues/1172>."
    ) from None

import networkx as nx
import pandas as pd
import numpy as np
import os
import random
import stellargraph as sg
from stellargraph.data import EdgeSplitter
from stellargraph.mapper import GraphSAGELinkGenerator
from stellargraph.layer import GraphSAGE, link_classification
from stellargraph.data import UniformRandomWalk
from stellargraph.data import UnsupervisedSampler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tensorflow import keras
from sklearn import preprocessing, feature_extraction, model_selection
from sklearn.linear_model import LogisticRegressionCV, LogisticRegression
from sklearn.metrics import accuracy_score
from stellargraph import globalvar
from stellargraph import datasets
from IPython.display import display, HTML

加载 CORA 网络数据

(参见 “从Pandas加载”演示，了解怎么加载数据的细节)。

Cora数据集由2708份科学出版物组成，分为七个类别之一。引文网络由5429个链接组成。数据会集的每份出版物都由一个0/1值的单词向量描绘，表明字典中相应单词的缺席/存在。词典由1433个独特的词组成。

dataset = datasets.Cora()
display(HTML(dataset.description))
G, node_subjects = dataset.load()
print(G.info())
'''
StellarGraph: Undirected multigraph
 Nodes: 2708, Edges: 5429
 Node types:
  paper: [2708]
    Edge types: paper-cites->paper
 Edge types:
    paper-cites->paper: [5429]
'''

按需采样的无监督GraphSAGE

无监督GraphSAGE需求一个练习样本，这个样本可以以（方针，上下文）节点对列表的方式供给，也可以用一个UnsupervisedSampler实例来供给，该实例担任按需生成节点对的正负样本。在这个演示中，咱们评论后一种技能。

无监督取样器（UnsupervisedSampler）

UnsupervisedSampler类接收了一个Stellargraph图的实例。UnsupervisedSampler中的生成器办法担任从图中生成平等数量的正负节点对样本用于练习。这些样本是经过运用UniformRandomWalk对象在图上进行均匀的随机行走而发生的。正面（方针，布景）节点对从散步中提取，对于每个正面的节点对（方针，节点），经过从图的度散布中随机抽取节点来生成相应的负面节点对。一旦样本的数量达到batch_size，生成器就会得到一个正负节点对的列表，以及它们各自的1/0标签。
在现在的完成中，咱们运用一致的随机行走来探索图的结构。散步的长度和数量，以及开端散步的根节点都可以由用户指定。根节点的默许列表是图的一切节点，默许的行走次数是1（每个根节点至少有一次行走），默许的行走长度是2（需求在行走中至少有一个超出根节点的节点作为潜在的正面布景）。

1. 指定其他可选参数值：根节点、每个节点的行走次数、每个行走的长度和随机种子。

nodes = list(G.nodes())
number_of_walks = 1
length = 5

2. 创立UnsupervisedSampler实例，并向其传递相关参数。

unsupervised_samples = UnsupervisedSampler(
    G, nodes=nodes, length=length, number_of_walks=number_of_walks
)

图G和无监督采样器将被用来生成样本。

3. 创立一个节点对生成器：

接下来，创立节点对生成器，用于取样并将练习数据流向模型。节点对生成器本质上是将节点对（方针，上下文）”映射 “到GraphSAGE的输入中：它要么接受节点对的分批，要么接受一个UnsupervisedSampler实例，该实例按要求生成节点对的分批。生成器从这些节点对中提取带有（方针，上下文）头部节点的2跳子图，并将其与相应的二进制标签一同送入带有GraphSAGE节点编码器的节点对分类器的输入层，用于模型参数的SGD更新。

指定：

迷你批巨细（每个迷你批的节点对数量）。
练习模型的 epochs 数目。
GraphSAGE的1跳和2跳街坊样本的巨细：

留意，num_samples列表的长度界说了GraphSAGE编码器的层数/迭代数。在这个比如中，咱们界说的是一个2层的GraphSAGE编码器。

batch_size = 50
epochs = 4
num_samples = [10, 5]

下面咱们将展现节点对生成器与无监督采样器的工作，它将按要求生成样本。

generator = GraphSAGELinkGenerator(G, batch_size, num_samples)
train_gen = generator.flow(unsupervised_samples)

树立模型：一个2层GraphSAGE编码器作为节点表明学习器，在衔接的（引证-论文，被引证-论文）节点嵌入上有一个链接分类层。

该模型的GraphSAGE部分，两个GraphSAGE层的躲藏层巨细为50，有一个偏置项，没有除掉。(可以经过指定一个正的辍学率来开启辍学，0<辍学<1)。留意，layer_sizes列表的长度有必要等于num_samples的长度，由于len(num_samples)界说了GraphSAGE编码器的跳数（层数）。

layer_sizes = [50, 50]
graphsage = GraphSAGE(
    layer_sizes=layer_sizes, generator=generator, bias=True, dropout=0.0, normalize="l2"
)
# Build the model and expose input and output sockets of graphsage, for node pair inputs:
x_inp, x_out = graphsage.in_out_tensors()

终究的节点对分类层，采纳由graphsage编码器发生的一对节点嵌入，对其应用二进制运算符以发生相应的节点对嵌入（ip为内积；二进制运算符的其他选项可以经过运转带有?link_classification的单元查看），并将其传递给稠密层：

prediction = link_classification(
    output_dim=1, output_act="sigmoid", edge_embedding_method="ip"
)(x_out)

将GraphSAGE编码器和猜测层堆叠到Keras模型中，并指定丢失。

model = keras.Model(inputs=x_inp, outputs=prediction)
model.compile(
    optimizer=keras.optimizers.Adam(lr=1e-3),
    loss=keras.losses.binary_crossentropy,
    metrics=[keras.metrics.binary_accuracy],
)

4. 练习模型。

history = model.fit(
    train_gen,
    epochs=epochs,
    verbose=1,
    use_multiprocessing=False,
    workers=4,
    shuffle=True,
)

请留意，多进程是关闭的，由于在有大量节点对的练习集时，多进程会跟着数据在不同进程之间的传输而大大减慢练习进程。

另外，在Keras 2.2.4及以上版别中可以运用多个工作者，由于多线程，它可以大大加快练习进程。

提取节点嵌入

现在，节点对分类器已经练习结束，咱们可以运用其节点编码器部分作为节点嵌入评价器。下面咱们将节点嵌入评价为GraphSAGE层栈输出的激活，并将其可视化，依据主题标签给节点着色。

from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.manifold import TSNE
from stellargraph.mapper import GraphSAGENodeGenerator
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

树立一个新的基于节点的模型

(src, dst) 节点对分类器模型有两个相同的节点编码器：一个用于节点对中的源节点，另一个用于传递给模型的节点对中的意图节点。咱们可以运用这两个相同的编码器中的任何一个来评价节点嵌入。下面咱们经过界说一个新的Keras模型来创立一个嵌入模型，x_inp_src（x_inp中奇数元素的列表）和x_out_src（x_out中的第1个元素）分别作为输入和输出。留意，这个模型的权重与之前练习的节点对分类器中相应的节点编码器的权重相同。

x_inp_src = x_inp[0::2]
x_out_src = x_out[0]
embedding_model = keras.Model(inputs=x_inp_src, outputs=x_out_src)

咱们还需求一个节点生成器来给embedding_model供给图的节点。咱们想为图中的一切节点评价节点嵌入：

node_ids = node_subjects.index
node_gen = GraphSAGENodeGenerator(G, batch_size, num_samples).flow(node_ids)

咱们现在运用node_gen将一切节点送入嵌入模型并提取它们的嵌入：

node_embeddings = embedding_model.predict(node_gen, workers=4, verbose=1)

节点嵌入的可视化

接下来咱们用t-SNE将节点嵌入可视化。节点的颜色描绘了节点的实在类别（在Cora数据集为主题的情况下）。

node_subject = node_subjects.astype("category").cat.codes
X = node_embeddings
if X.shape[1] > 2:
    transform = TSNE  # PCA
    trans = transform(n_components=2)
    emb_transformed = pd.DataFrame(trans.fit_transform(X), index=node_ids)
    emb_transformed["label"] = node_subject
else:
    emb_transformed = pd.DataFrame(X, index=node_ids)
    emb_transformed = emb_transformed.rename(columns={"0": 0, "1": 1})
    emb_transformed["label"] = node_subject
alpha = 0.7
fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 7))
ax.scatter(
    emb_transformed[0],
    emb_transformed[1],
    c=emb_transformed["label"].astype("category"),
    cmap="jet",
    alpha=alpha,
)
ax.set(aspect="equal", xlabel="$X_1$", ylabel="$X_2$")
plt.title(
    "{} visualization of GraphSAGE embeddings for cora dataset".format(transform.__name__)
)
plt.show()

【教程】用GraphSAGE和UnsupervisedSampler进行节点表示学习

观察到嵌入空间中相同颜色的节点会集在一同，阐明相同主题的论文的嵌入是类似的。咱们在此再次着重，节点嵌入是以无监督的方式学习的，没有运用实在的类别标签。

下流使命

运用无监督的GraphSAGE核算的节点嵌入可以作为节点特征向量用于下流使命，如节点分类。

在这个比如中，咱们将运用节点嵌入来练习一个简略的逻辑回归分类器来猜测Cora数据会集的论文题目。

# X will hold the 50 input features (node embeddings)
X = node_embeddings
# y holds the corresponding target values
y = np.array(node_subject)

数据拆分

咱们把数据分成练习集和测验集。

咱们运用5%的数据进行练习，其他95%的数据作为测验集。

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X, y, train_size=0.05, test_size=None, stratify=y
)

分类器练习

咱们在练习数据上练习一个Logistic回归分类器。

clf = LogisticRegression(verbose=0, solver="lbfgs", multi_class="auto")
clf.fit(X_train, y_train)

猜测持有的测验集。核算分类器在测验集上的准确性。

y_pred = clf.predict(X_test)
accuracy_score(y_test, y_pred)

取得的准确率适当不错，比运用node2vec取得的节点嵌入要好，node2vec忽略了节点特点，只考虑了图结构（见这个演示）。

猜测的类别

pd.Series(y_pred).value_counts()

真实的类

pd.Series(y).value_counts()

无监督的图表明学习的用途

无监督的GraphSAGE学习无标签的图节点的嵌入。这是非常有用的，由于大多数实际国际的数据通常都是无标签的，或许有喧闹的、不可靠的或稀疏的标签。在这种情况下，经过利用图形结构和节点的特征来学习图形中节点的低维有意义表明的无监督技能是非常有用的。
此外，GraphSAGE是一种归纳技能，使咱们可以取得未见过的节点的嵌入，而不需求从头练习嵌入模型。也就是说，GraphSAGE不是为每个节点练习独自的嵌入（如node2vec等算法中学习节点嵌入的查询表），而是学习一个函数，经过从每个节点的本地邻域采样和聚合特点，并将这些特点与节点本身的特点相结合，来生成嵌入。

【教程】用GraphSAGE和UnsupervisedSampler进行节点表示学习

无监督的GraphSAGE

加载 CORA 网络数据

按需采样的无监督GraphSAGE

无监督取样器（UnsupervisedSampler）

提取节点嵌入

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无监督的图表明学习的用途

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