图注意力网络 (GAT)

图卷积网络 (GCNs) 提供了一个在图上学习的强大框架，但它们的聚合机制通常对所有邻居一视同仁（仅根据节点度进行调整）。设想一个社交网络图，您想预测用户的兴趣。某些朋友可能比其他朋友影响力更大或兴趣更相似。标准 GCN 可能难以有效捕获这些差异，因为其卷积核权重是根据图结构（特别是归一化邻接矩阵或拉普拉斯矩阵）固定的。

图注意力网络 (GATs) 引入了一种方法来克服这一局限，通过引入自注意力机制，这借鉴了它们在基于序列的任务中的成功。其核心理念是允许节点在聚合过程中，为其邻域内的不同节点赋予不同程度的重要性，即注意力。这些注意力权重并非固定，而是根据相互作用节点的特征动态计算。

GAT 中的注意力机制

GAT 不使用 GCN 中预定义的权重（如 $1/\sqrt{deg(i)deg(j)}$），而是为每条边 $(j, i)$ 计算注意力系数 $a_{ij}$，这表示节点 $j$ 的特征对节点 $i$ 的重要性。这个过程通常在 GAT 层内包含三个步骤：

1. 线性变换： 首先，将每个节点 $i$ 的输入特征 $h_i \in \mathbb{R}^F$ 通过一个可学习的权重矩阵 $W \in \mathbb{R}^{F' \times F}$ 进行变换，得到更高维度的特征 $z_i = W h_i \in \mathbb{R}^{F'}$。这种初始变换增加了模型学习相关表示的能力。

2. 注意力系数计算： 对于连接节点 $j$ 到节点 $i$ 的每条边，都会计算一个注意力得分 $e_{ij}$。这个得分表示节点 $j$ 的特征对节点 $i$ 未归一化的重要性。计算 $e_{ij}$ 的常用方法是使用共享注意力机制，这通常是一个由可学习权重向量 $a \in \mathbb{R}^{2F'}$ 参数化的单层前馈神经网络。该机制的输入是两个节点变换后特征 $z_i$ 和 $z_j$ 的拼接：

   $$e_{ij} = \text{LeakyReLU}(a^T [W h_i || W h_j])$$

   这里，$||$ 表示拼接，LeakyReLU 通常用作非线性激活函数。这个机制在所有边之间是共享的，这意味着相同的 $a$ 和 $W$ 用于计算所有节点对的注意力得分。

3. 通过 Softmax 进行归一化： 原始注意力得分 $e_{ij}$ 在不同节点之间不能直接比较。为了使它们可比并得到归一化的注意力系数 $a_{ij}$，Softmax 函数通常应用于节点 $i$ 的所有邻居 $j$（通常包括节点 $i$ 本身）：

   $$a_{ij} = \text{softmax}_j(e_{ij}) = \frac{\exp(e_{ij})}{\sum_{k \in \mathcal{N}_i \cup \{i\}} \exp(e_{ik})}$$

   其中 $\mathcal{N}_i$ 表示节点 $i$ 的邻域。这些归一化系数 $a_{ij}$ 现在对于每个节点 $i$ 及其所有邻居 $j$ 求和为 1，形成了一个加权的注意力分布。

4. 加权聚合： 最后，节点 $i$ 的输出特征 $h'_i \in \mathbb{R}^{F'}$ 是通过其邻居变换后特征的加权和计算得到的，其中使用归一化注意力系数 $a_{ij}$ 作为权重。之后通常会应用一个非线性激活函数 $\sigma$（如 ReLU 或 ELU）：

   $$h'_i = \sigma \left( \sum_{j \in \mathcal{N}_i \cup \{i\}} a_{ij} W h_j \right)$$

这个过程有效地使得每个节点在更新其表示时，能够有选择地侧重于其最相关的邻居。

节点 'i' 的 GAT 聚合过程视图。注意力系数 $a_{ij}$ 决定了从邻居（包括自身）传递过来的信息在更新节点特征向量 $h'_i$ 时的权重。

GAT 的优势

图注意力网络与简单的卷积方法相比具有多个优势：

• 自适应感受野： GAT 学习动态地分配重要性。节点学习哪些邻居应得到更多关注，从而根据节点特征而非仅仅图结构来调整聚合过程。
• 隐式加权： 注意力系数 $a_{ij}$ 作为学习过程的一部分隐式计算，从而在正向传播过程中无需显式的图结构信息，例如度或代价高昂的矩阵运算（如拉普拉斯特征分解）。
• 效率： 计算注意力系数涉及对边（节点对）的操作，可以高效地并行化，尤其是在稀疏图上。每层的计算不直接取决于图中的节点总数，这与某些谱方法不同。
• 归纳能力： 由于注意力机制依赖于节点特征并在所有节点之间共享，GAT 可以方便地应用于训练期间未见的图（归纳学习），前提是这些节点具有特征。

虽然单个 GAT 层计算一组注意力权重，但这个机制可以扩展。一种常见做法是使用多头注意力，其中多个独立的注意力机制并行计算，并将它们的结果组合。下一节将讨论这项技术，它通常能带来更稳定的训练，并使得模型能够同时捕获邻域内不同类型的关系。