zy123/md_files
1
0
Fork 0
Code Issues Pull Requests Actions Packages Projects Releases Wiki Activity
md_files/科研/动态图神经网络.md

615 lines
23 KiB
Markdown
Raw Normal View History

Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
# 动态图神经网络
## 如何对GAT的权重（$W$）和注意力参数（$a$）进行增量更新（邻居偶尔变化）
#### 1. 核心思想
- **局部更新**：邻居变化的节点及其直接邻域的权重和注意力参数需要调整，其他部分冻结。
- **梯度隔离**：反向传播时，仅计算受影响节点的梯度，避免全局参数震荡。
---
#### 2. 数学实现步骤
#### **(1) 识别受影响的节点**
设邻居变化后的新邻接矩阵为 $\tilde{A}$，原邻接矩阵为 $A$，受影响节点集合 $\mathcal{V}_{\text{affected}}$ 包括：
- 新增或删除边的两端节点（直接受影响）。
- 这些节点的1-hop邻居（间接受影响，根据GAT层数决定）。
#### **(2) 损失函数局部化**
仅对 $\mathcal{V}_{\text{affected}}$ 中的节点计算损失：
$$
\mathcal{L}_{\text{incremental}} = \sum_{i \in \mathcal{V}_{\text{affected}}} \ell(y_i, \hat{y}_i)
$$
其中 $\ell$ 为交叉熵损失，$y_i$ 为标签，$\hat{y}_i$ 为模型输出。
#### **(3) 梯度计算与参数更新**
- **梯度掩码**：
反向传播时，非受影响节点的梯度强制置零：
$$
\nabla_{W,a} \mathcal{L}_{\text{incremental}} = \left\{
\begin{array}{ll}
\nabla_{W,a} \ell(y_i, \hat{y}_i) & \text{if } i \in \mathcal{V}_{\text{affected}} \\
0 & \text{otherwise}
\end{array} \right.
$$
- **参数更新**：
使用优化器（如Adam）仅更新有梯度的参数：
$$
W \leftarrow W - \eta \nabla_W \mathcal{L}_{\text{incremental}}, \quad a \leftarrow a - \eta \nabla_a \mathcal{L}_{\text{incremental}}
$$
其中 $\eta$ 为较小的学习率（防止过拟合）。
#### **(4) 注意力权重的动态适应**
GAT的注意力机制会自动适应新邻居：
$$
\alpha_{ij} = \text{softmax}\left(\text{LeakyReLU}\left(a^T [W h_i \| W h_j]\right)\right)
$$
由于 $W$ 和 $a$ 已局部更新，新邻居 $j \in \tilde{\mathcal{N}}(i)$ 的权重 $\alpha_{ij}$ 会重新计算。
#### 3. 适用场景
- **低频变化**：如社交网络每天新增少量边、论文引用网络月度更新。
- **局部变化**：每次变化仅影响图中少量节点（<10%）。
若邻居**高频变化**（如秒级更新），需改用动态GNN（如TGAT）或时间序列建模。
## EvolveGCN
### EvolveGCN-H
#### **1. EvolveGCN-H核心思想**
EvolveGCN-H 通过 **GRU（门控循环单元）** 动态更新 GCN 每一层的权重矩阵 $W_t^{(l)}$，将权重矩阵视为 GRU 的 **隐藏状态**，并利用当前时间步的 **节点嵌入（特征）** 作为输入来驱动演化。
**关键特点**：
- **输入依赖**：利用节点嵌入 $H_t^{(l)}$ 指导权重更新。
- **时序建模**：通过 GRU 隐式捕捉参数演化的长期依赖。
---
#### **2. 动态更新流程（以第 $l$ 层为例）**
**输入**：
1. 当前节点嵌入矩阵 $H_t^{(l)} \in \mathbb{R}^{n \times d}$：
2. 上一时间步的权重矩阵 $W_{t-1}^{(l)} \in \mathbb{R}^{d \times d'}$：
3. 邻接矩阵 $A_t \in \mathbb{R}^{n \times n}$：
**输出**：
1. 更新后的权重矩阵 $W_t^{(l)} \in \mathbb{R}^{d \times d'}$。
2. 下一层节点嵌入 $H_t^{(l+1)} \in \mathbb{R}^{n \times d'}$。
---
#### **3. 动态更新示意图**
```plaintext
Time Step t-1 Time Step t
+-------------------+ +-------------------+
| Weight Matrix | | Weight Matrix |
| W_{t-1}^{(l)} | --(GRU更新)--> | W_t^{(l)} |
+-------------------+ +-------------------+
^ ^
| |
+-------------------+ +-------------------+
| Node Embeddings | | Node Embeddings |
| H_t^{(l)} | --(GCN计算)--> | H_t^{(l+1)} |
+-------------------+ +-------------------+
^ ^
| |
+-------------------+ +-------------------+
| 邻接矩阵 A_t | | 邻接矩阵 A_{t+1} |
| (显式输入) | | (下一时间步输入) |
+-------------------+ +-------------------+
```
$$
\begin{align*}
W_t^{(l)} &<= H_t^{(l)} + W_{t-1}^{(l)} \\
H_t^{(l+1)} &<= A_t + H_t^{(l)} + W_t^{(l)}
\end{align*}
$$
#### **4. 具体步骤分解**
##### **步骤 1：节点嵌入聚合（Summarize）**
由于 GRU 的输入需与隐藏状态 $W_{t-1}^{(l)}$ 的列维度匹配（即 $d'$），需将 $H_t^{(l)}$ 从 $n \times d$ 压缩为 $d' \times d$ ：
$$
Z_t = \text{Summarize}(H_t^{(l)}, d')
$$
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
将会舍弃部分节点
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
**实现方式**（论文方案）：
1. 计算得分：
$$
y_t = H_t^{(l)} p / \|p\| \quad (p \in \mathbb{R}^d \text{为可学习参数})
$$
学一个“打分器”参数 $p$，$H_t^{(l)} p$相当于对每个节点的嵌入向量和 $p$做点积，得到一个分数。比如在社交网络中，$p$ 可能代表“活跃度”，得分高的用户更活跃。
2. 选取 Top-$d'$ 个节点（按 $y_t$ 排序），加权求和：
$$
Z_t = [H_t^{(l)} \circ \tanh(y_t)]_{\text{top-}d'} \quad (\circ \text{为逐元素乘})
$$
- 输出 $Z_t \in \mathbb{R}^{d' \times d}$。
**举个例子**
假设：
- 有3个节点（$n=3$），嵌入维度 $d=2$，选Top-2个节点（$d'=2$）。
- 节点嵌入：
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
$$
H_t^{(l)} = \begin{bmatrix} 1 & 0.5 \\ 0.3 & 2 \\ -1 & 1 \end{bmatrix}, \quad p = [1, 0]
$$
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
（$p$ 只关注嵌入的第一维，比如“用户发帖数量”）
1. **计算分数**：
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
$$
y_t = H_t^{(l)} p = [1 \cdot 1 + 0.5 \cdot 0, \ 0.3 \cdot 1 + 2 \cdot 0, \ -1 \cdot 1 + 1 \cdot 0] = [1, 0.3, -1]
$$
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
Top-2节点是第1、第2个节点（分数1和0.3）。
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
2. **加权聚合**：
$$
Z_t = \begin{bmatrix} [1, 0.5] \circ \tanh(1) \\ [0.3, 2] \circ \tanh(0.3) \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0.76 & 0.38 \\ 0.09 & 0.58 \end{bmatrix}
$$
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
（假设 $\tanh(1) \approx 0.76$, $\tanh(0.3) \approx 0.29$）
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
3. **输出**：$Z_t$ 是 $2 \times 2$ 矩阵，可以直接喂给GRU。
##### **步骤 2：GRU 更新权重矩阵**
$$
W_t^{(l)} = \text{GRU}(Z_t^T, W_{t-1}^{(l)})
$$
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
标准GRU的输入、隐藏、输出都是向量，但这里都是矩阵！
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
当前时间步的输入：$Z_t^T$
上一时间步的隐藏状态：$W_{t-1}^{(l)}$
更新隐藏状态： $W_t^{(l)}$
| **标准GRU** | **论文中的矩阵GRU** | **作用** |
| ------------------------ | ------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| $W_{xz}$ (输入→更新门) | $W_Z$ | 将当前输入 $Z_t^T$ 映射到更新门。 |
| $W_{hz}$ (隐藏→更新门) | $U_Z$ | 将上一隐藏状态 $W_{t-1}^{(l)}$ 映射到更新门。 |
| $b_z$ (更新门偏置) | $B_Z$ | 更新门的偏置项。 |
| $W_{xh}$ (输入→候选状态) | $W_H$ | 将当前输入 $Z_t^T$ 映射到候选状态。 |
| $W_{hh}$ (隐藏→候选状态) | $U_H$ | 将调制后的隐藏状态 $(R_t \circ W_{t-1}^{(l)})$ 映射到候选状态。 |
| $b_h$ (候选状态偏置) | $B_H$ | 候选状态的偏置项。 |
**GRU 的矩阵形式计算**：
1. **重置门** $R_t$：控制历史信息的遗忘程度
$$
R_t = \sigma(Z_t^T W_Z + W_{t-1}^{(l)} U_Z + B_Z)
$$
2. **更新门** $Z_t$：控制新旧状态混合比例
$$
U_t = \sigma(Z_t^T W_U + W_{t-1}^{(l)} U_U + B_U)
$$
3. **候选状态** $\widetilde{W}_t$：
$$
\widetilde{W}_t = \tanh(Z_t^T W_H + (R_t \circ W_{t-1}^{(l)}) U_H + B_H)
$$
4. **最终权重更新**：
$$
W_t^{(l)} = (1 - U_t) \circ W_{t-1}^{(l)} + U_t \circ \widetilde{W}_t
$$
- 输出 $W_t^{(l)} \in \mathbb{R}^{d \times d'}$。
##### **步骤 3：GCN 生成下一层嵌入**
使用更新的 $W_t^{(l)}$ 执行标准 GCN 操作：
$$
H_t^{(l+1)} = \sigma\left(\widehat{A}_t H_t^{(l)} W_t^{(l)}\right)
$$
- $\widehat{A}_t$ 为归一化邻接矩阵（含自环）。
---
#### **5. 关键设计细节**
1. **权重共享**：
- 所有时间步共享同一 GRU 的参数（$W_*, U_*, B_*$），确保模型尺寸不随时间增长。
2. **层独立性**：
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
- 每一层 GCN 的权重矩阵独立演化（不同层有各自的 GRU）。
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
3. **特征与结构的协同**：
- 节点嵌入 $H_t^{(l)}$ 既包含特征信息，也隐含历史结构信息（通过多层 GCN 传播），因此 GRU 能间接感知结构变化。
#### 6. 所需提前训练的权重
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
| **参数类型** | **符号** | **维度** | **作用** |
| ---------------- | --------------- | --------------------------- | ------------------------------- |
| GCN 初始权重 | $W_0^{(l)}$ | $\mathbb{R}^{d \times d'}$ | 初始时刻各层 GCN 的初始参数 |
| GRU 输入变换矩阵 | $W_Z, W_R, W_H$ | $\mathbb{R}^{d \times d'}$ | 将输入 $Z_t^T$ 映射到门控 |
| GRU 隐藏变换矩阵 | $U_Z, U_R, U_H$ | $\mathbb{R}^{d' \times d'}$ | 将 $W_{t-1}^{(l)}$ 映射到门控 |
| GRU 偏置项 | $B_Z, B_R, B_H$ | $\mathbb{R}^{d'}$ | 门控和候选状态的偏置 |
| Summarize 参数 | $p$ | $\mathbb{R}^d$ | 对特征进行打分，不同层$p$不一样 |
| 任务相关参数 | 例如 MLP 权重 | 任务相关 | 链接预测、节点分类等输出层 |
Commit on 2025/05/05 周一 10:12:08.30
2025-05-05 10:12:08 +08:00
### **EvolveGCN-O**
#### **1. 核心思想**
EvolveGCN-O 通过 **LSTM** 直接演化 GCN 的权重矩阵 $W_t^{(l)}$，将权重矩阵视为 **LSTM的输出**（下一时间步的输入），**不依赖节点嵌入**。
**关键特点**：
- **结构驱动**：仅通过历史权重 $W_{t-1}^{(l)}$ 预测当前权重，完全基于图结构的动态变化。
- **轻量化**：无需处理节点嵌入，计算效率更高。
---
#### **2. 动态更新流程（第$l$层）**
**输入**：
1. 上一时间步权重 $W_{t-1}^{(l)} \in \mathbb{R}^{d \times d'}$
2. 邻接矩阵 $A_t \in \mathbb{R}^{n \times n}$（仅用于GCN计算）
**输出**：
1. 更新后权重 $W_t^{(l)} \in \mathbb{R}^{d \times d'}$
2. 下一层节点嵌入 $H_t^{(l+1)} \in \mathbb{R}^{n \times d'}$
#### 3.具体步骤分解
##### **步骤1：LSTM更新权重矩阵**
**矩阵版LSTM计算**：
1. 遗忘门：
$F_t = \sigma(W_F W_{t-1}^{(l)} + U_F C_{t-1} + B_F)$
2. 输入门：
$I_t = \sigma(W_I W_{t-1}^{(l)} + U_I C_{t-1} + B_I)$
3. 候选状态：
$\widetilde{C}_t = \tanh(W_C W_{t-1}^{(l)} + U_C C_{t-1} + B_C)$
4. 细胞状态更新：
$C_t = F_t \circ C_{t-1} + I_t \circ \widetilde{C}_t$
5. 输出门：
$O_t = \sigma(W_O W_{t-1}^{(l)} + U_O C_{t-1} + B_O)$
6. 最终权重输出：
$W_t^{(l)} = O_t \circ \tanh(C_t)$
##### **步骤2：GCN生成下一层嵌入**
$H_t^{(l+1)} = \sigma(\widehat{A}_t H_t^{(l)} W_t^{(l)})$
#### **4. 与EvolveGCN-H对比**
| **特性** | **EvolveGCN-H** | **EvolveGCN-O** |
| -------------- | -------------------------- | ---------------------------- |
| **RNN类型** | GRU | LSTM |
| **演化依据** | 节点嵌入+历史权重 | 仅历史权重 |
| **计算复杂度** | 高（需Summarize） | 低 |
| **适用场景** | 特征动态性强（如社交网络） | 结构变化主导（如路由器拓扑） |
Commit on 2025/05/09 周五 21:39:37.74
2025-05-09 21:39:37 +08:00
## TGAT
### Bochner定理
Bochner定理为TGAT的**连续时间编码**提供了理论基础，使其能够将任意时间差映射为可学习的向量表示，从而在动态图中有效捕捉时序依赖。这一方法超越了传统离散编码的局限性，是TGAT的核心创新之一。
#### 时间编码的构造
**（1）Bochner 定理的数学形式**
根据Bochner定理，任意正定时间核函数 $ f(\Delta t) $ 可表示为：
$$
f(\Delta t) = \mathbb{E}_{\omega \sim \mu} \left[ e^{i \omega \Delta t} \right],
$$
其中 $e^{i \omega \Delta t} = \cos(\omega \Delta t) + i \sin(\omega \Delta t)$ 是复指数函数。
**（2）蒙特卡洛近似 & 实值化**
由于直接计算期望复杂，TGAT 用蒙特卡洛采样近似：
1. 从分布 $\mu$ 中采样 $k$ 个频率 $\omega_1, \omega_2, \ldots, \omega_k$。
2. 用这些频率构造实值编码（取复指数的实部和虚部，即 $\cos$ 和 $\sin$）：
$$
\phi(\Delta t) = \sqrt{\frac{1}{k}} \left[ \cos(\omega_1 \Delta t), \sin(\omega_1 \Delta t), \ldots, \cos(\omega_k \Delta t), \sin(\omega_k \Delta t) \right].
$$
这里 $k$ 是采样频率的数量，决定了编码的维度 $d=2k$（每组 $\cos + \sin$ 占 2 维）。
#### 例子
假设将时间$t$编码为一个2维向量（实际论文中维度更高，比如100维）。
时间编码函数为：
$$
\Phi_d(t) = \sqrt{\frac{1}{d}} \left[ \cos(\omega_1 t), \sin(\omega_1 t), \cos(\omega_2 t), \sin(\omega_2 t), \ldots \right]
$$
其中：
- $d$是维度（这里$d=2$，即2维向量）。
- $\omega_1, \omega_2, \ldots$ 是从某个分布$p(\omega)$中随机采样的频率参数（可以理解为“时间刻度”）。
1. **随机初始化频率**：
假设我们随机设定两个频率：
- $\omega_1 = 0.5$
- $\omega_2 = 1.0$
2. **编码时间点**：
- 对时间$t=2$，计算：
$$
\Phi_2(2) = \sqrt{\frac{1}{2}} \left[ \cos(0.5 \cdot 2), \sin(0.5 \cdot 2) \right] = \sqrt{0.5} \left[ \cos(1.0), \sin(1.0) \right] \approx [0.54, 0.84]
$$
- 对时间$t=5$，计算：
$$
\Phi_2(5) = \sqrt{0.5} \left[ \cos(2.5), \sin(2.5) \right] \approx [-0.35, 0.94]
$$
3. **时间差异的体现**：
- 两个时间点$t=2$和$t=5$的编码向量不同，且它们的点积（相似度）会反映时间跨度$|5-2|=3$：
$$
\Phi_2(2) \cdot \Phi_2(5) \approx 0.54 \cdot (-0.35) + 0.84 \cdot 0.94 \approx 0.59
$$
- 如果$t=2$和$t=4$的编码点积更大，说明$\Delta t=2$比$\Delta t=3$的交互更相关。
#### **为什么这样设计？**
- **谐波基函数**：`cos(ωt)`和`sin(ωt)`是周期性函数，能捕捉时间的周期性模式（比如白天/夜晚的周期性行为，但不会强制引入周期性）。
- **内积反映时间差**：通过Bochner定理，两个时间编码的内积`Φ(t₁)·Φ(t₂)`近似于一个时间核函数`𝒦(t₁-t₂)`，时间差越小，内积越大（相似性越高）。
- **可学习性**：频率参数`{ωᵢ}`可以通过训练优化（例如让模型自动学习“短期交互”和“长期交互”的不同时间尺度）。
### 工作原理
#### 1.时间约束的邻居集合
**时间约束**：对于目标节点 $v_0$ 在时间 $t$，其邻居 $\mathcal{N}(v_0; t)$ 仅包含与 $v_0$ **在时间 $t$ 之前发生过交互的节点**（即 $t_i < t$）。
$$
\mathcal{N}(v_0; t) = \{ v_i \mid \exists (v_0, v_i, t_i) \in \mathcal{E}, t_i < t \}
$$
实际实现中，TGAT通过以下两种策略避免邻居集合无限膨胀：
（1）**固定时间窗口（Sliding Time Window）**
- 仅保留目标时间 $t$ 的最近 $\Delta T$ 时间内的交互节点（例如过去7天的邻居）。
- **数学表达**：
$$
\mathcal{N}(v_0; t) = \{ v_i \mid (v_0, v_i, t_i) \in \mathcal{E}, t - \Delta T \leq t_i < t \}
$$
（2）**邻居采样（Neighborhood Sampling）**
- 即使在一个时间窗口内，如果邻居数量过多（例如社交网络中的活跃用户），TGAT会随机采样固定数量的邻居（如最多20个）。
- 随机采样可行是因为**时间编码**和**注意力权重**会自动学习为近期交互分配更高权重。
#### 2.时间编码的邻居特征矩阵
$$
Z(t) = \left[ \tilde{h}_0^{(l-1)}(t) \| \Phi_{d_T}(0), \tilde{h}_1^{(l-1)}(t_1) \| \Phi_{d_T}(t-t_1), \ldots \right]^\top
$$
**输入**：
- 目标节点 $v_0$ 在时间 $t$ 的上一层特征：$\tilde{h}_0^{(l-1)}(t)$。
- 邻居节点 $v_i$ 在历史时间 $t_i$ 的特征：$\tilde{h}_1^{(l-1)}(t_1), \tilde{h}_2^{(l-1)}(t_2), \ldots$。
- 时间编码函数 $\Phi_{d_T}$：将时间差 $t-t_i$ 映射为向量
#### 3.注意力权重计算
通过Query-Key-Value机制计算邻居权重：
$$
\alpha_i = \text{softmax} \left( \frac{(q(t)^\top K_i(t))}{\sqrt{d_h}} \right), \quad q(t) = [Z(t)]_0 W_Q, \quad K_i(t) = [Z(t)]_i W_K
$$
- $q(t)$：目标节点的Query。
- $K_i(t)$：邻居节点的Key。
- **动态性**：权重 $\alpha_i$ 依赖当前时间 $t$ 和邻居交互时间 $t_i$。
#### 4.多头注意力聚合
$$
h(t) = \text{Attn}(q(t), K(t), V(t)) = \sum_{i=1}^N \alpha_i V_i(t), \quad V_i(t) = [Z(t)]_i W_V
$$
$V_i(t)$：邻居节点的Value，含时间编码的特征。
#### 5.节点嵌入更新
$$
\tilde{h}_0^{(l)}(t) = \text{FFN}(h(t) \| x_0)
$$
- $h(t)$：聚合后的邻居表示。
- $x_0$：目标节点的原始特征。
- **FFN**（Feed-Forward Network）：进一步融合时空信息。
**动态推理**：对任意新时间 $t$，只需输入当前邻接关系和节点特征，通过前向传播计算嵌入。
总结：每个节点，动态融合节点自身及其邻居在不同时间点的嵌入，其中这些嵌入都显式编码了时间信息。
不同层之间的嵌入维度可以不同，但同一层内所有时间步的嵌入维度必须保持一致。
每个节点运行的模型一样的。实时性。
节点是否需要交互（是否需要全局信息） //
不知道全局信息(只知道邻居) 训练出来的模型是否一样？（能否协同。）
#### **举例**
假设目标节点 $v_0$ 在时间 $t=10$ 需要聚合历史邻居，其中：
$t=10$时$v_0$的特征：$\tilde{h}_0(t=10)=[0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5]$
- 在时间 $t_1=8$，$v_0$ 与邻居 $\{v_{1}, v_{2}\}$ 交互。
- $v_1$ 的特征：$\tilde{h}_1(t=8) = [0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0]$
- $v_2$ 的特征：$\tilde{h}_2(t=8) = [0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6]$
- 在时间 $t_2=5$，$v_0$ 与邻居 $\{v_{3}\}$ 交互。
- $v_3$ 的特征：$\tilde{h}_3(t=5) = [1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5]$
**时间编码**（$d_T=2$, $\omega_1=1$）：
- $\Phi_{d_T}(10-8=2) = [\cos(2), \sin(2)] \approx [-0.42, 0.91]$
- $\Phi_{d_T}(10-5=5) = [\cos(5), \sin(5)] \approx [0.28, -0.96]$
- $\Phi_{d_T}(0) = [1, 0]$
**将每个邻居的特征与对应时间编码拼接：**
$$
Z(10) = \begin{bmatrix}
\tilde{h}_0(10) \| \Phi_{d_T}(0) \\
\tilde{h}_1(8) \| \Phi_{d_T}(2) \\
\tilde{h}_2(8) \| \Phi_{d_T}(2) \\
\tilde{h}_3(5) \| \Phi_{d_T}(5)
\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 1, 0 \\
0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, -0.42, 0.91 \\
0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, -0.42, 0.91 \\
1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 0.28, -0.96
\end{bmatrix}_{4 \times 7}
$$
**注意力权重计算:**
**1.投影矩阵参数**（简化示例，设 $d_h = 3$,真实情况由训-练得来）：
$$
W_Q = W_K = \begin{bmatrix}
0.1 & 0.2 & 0.3 \\
0.4 & 0.5 & 0.6 \\
0.7 & 0.8 & 0.9 \\
1.0 & 1.1 & 1.2 \\
1.3 & 1.4 & 1.5 \\
0.2 & 0.3 & 0.4 \\
0.5 & 0.6 & 0.7
\end{bmatrix}_{7 \times 3}, \quad
W_V = \begin{bmatrix}
0.3 & 0.4 & 0.5 \\
0.6 & 0.7 & 0.8 \\
0.9 & 1.0 & 1.1 \\
1.2 & 1.3 & 1.4 \\
1.5 & 1.6 & 1.7 \\
0.1 & 0.2 & 0.3 \\
0.4 & 0.5 & 0.6
\end{bmatrix}_{7 \times 3}
$$
**2.计算 Query/Key/Value**：
- **Query**（目标节点 $v_0$）：
$$
q(10) = [Z(10)]_0 W_Q = [0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 1, 0] \cdot W_Q = [2.38, 2.76, 3.14]
$$
- **Keys**（邻居节点）：
$$
K(10) = [Z(10)]_{1:3} W_K = \begin{bmatrix}
0.6 & 0.7 & 0.8 & 0.9 & 1.0 & -0.42 & 0.91 \\
0.2 & 0.3 & 0.4 & 0.5 & 0.6 & -0.42 & 0.91 \\
1.1 & 1.2 & 1.3 & 1.4 & 1.5 & 0.28 & -0.96
\end{bmatrix} \cdot W_K = \begin{bmatrix}
3.22 & 3.68 & 4.14 \\
1.82 & 2.18 & 2.54 \\
4.18 & 4.64 & 5.10
\end{bmatrix}
$$
- **Values**（邻居节点）：
$$
V(10) = [Z(10)]_{1:3} W_V = \begin{bmatrix}
3.52 & 3.92 & 4.32 \\
2.12 & 2.42 & 2.72 \\
4.48 & 4.88 & 5.28
\end{bmatrix}
$$
**3.计算注意力权重**
- 计算未归一化分数（缩放因子 $\sqrt{d_h} = \sqrt{3} \approx 1.732$）：
$$
\text{scores} = \frac{q(10) K(10)^\top}{\sqrt{3}} = \frac{[2.38, 2.76, 3.14] \cdot \begin{bmatrix}3.22 & 1.82 & 4.18 \\ 3.68 & 2.18 & 4.64 \\ 4.14 & 2.54 & 5.10\end{bmatrix}}{1.732}\approx [18.46, 10.56, 21.40]
$$
- Softmax 归一化：
$$
\alpha = \text{softmax}([18.46, 10.56, 21.40]) = [2.4 \times 10^{-2}, 1.6 \times 10^{-5}, 0.976]
$$
**4.聚合邻居信息**
$$
h(10) = \sum_{i=1}^3 \alpha_i V_i = 0.024 \cdot \begin{bmatrix}3.52 \\ 3.92 \\ 4.32\end{bmatrix} + 1.6 \times 10^{-5} \cdot \begin{bmatrix}2.12 \\ 2.42 \\ 2.72\end{bmatrix} + 0.976 \cdot \begin{bmatrix}4.48 \\ 4.88 \\ 5.28\end{bmatrix}\approx [4.48, 4.88, 5.28]
$$
**5.节点嵌入更新**
**1.拼接操作**
$$
z=[h(10) \| x_0] = [4.48, 4.88, 5.28, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5]
$$
**2. FFN参数设置**
FFN 包含两层：
$$
\tilde{h}_0^{(l)}(10)=\text{FFN}(z) = \text{ReLU}(z W_0 + b_0) W_1 + b_1
$$
### 需提前训练的参数
| **参数名称** | **符号** | **维度** | **作用** | **来源模块** |
| -------------------- | ---------------------------- | ------------------------ | ------------------------------------------------------ | ----------------------------- |
| **时间编码频率参数** | $\omega_1, \ldots, \omega_d$ | $d \times 1$ | 控制时间编码的基频率，用于生成 $\Phi_{d_T}(t)$。 | 功能性时间编码（Bochner定理） |
| **Query投影矩阵** | $W_Q$ | $(d + d_T) \times d_h$ | 将目标节点特征和时间编码映射为Query向量。 | 自注意力机制 |
| **Key投影矩阵** | $W_K$ | $(d + d_T) \times d_h$ | 将邻居节点特征和时间编码映射为Key向量。 | 自注意力机制 |
| **Value投影矩阵** | $W_V$ | $(d + d_T) \times d_h$ | 将邻居节点特征和时间编码映射为Value向量。 | 自注意力机制 |
| **FFN第一层权重** | $W_0^{(l)}$ | $(d_h + d_0) \times d_f$ | 前馈网络的第一层线性变换，融合邻居聚合特征和原始特征。 | 前馈网络（FFN） |
| **FFN第一层偏置** | $b_0^{(l)}$ | $d_f \times 1$ | 第一层的偏置项。 | 前馈网络（FFN） |
| **FFN第二层权重** | $W_1^{(l)}$ | $d_f \times d$ | 前馈网络的第二层线性变换，生成最终节点表示。 | 前馈网络（FFN） |
| **FFN第二层偏置** | $b_1^{(l)}$ | $d \times 1$ | 第二层的偏置项。 | 前馈网络（FFN） |
Reference in New Issue Copy Permalink