• 主要單位：蒙特利爾算法學(xué)習(xí)人工智能實(shí)驗(yàn)室（Mila）、微軟亞洲研究院等
• 論文地址：https://arxiv.org/abs/2210.14709
• 代碼地址：https://github.com/andyjzhao/glem

引言

圖 1：(a) 文本圖 (b) 圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (c) 語(yǔ)言模型

圖是一種普遍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建模了節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在現(xiàn)實(shí)生活中，許多節(jié)點(diǎn)包含豐富的文本特征，這種圖被稱(chēng)為文本圖 (text-attributed graph [2])。例如，論文引用網(wǎng)絡(luò)中包含了論文的文本和論文之間的引用關(guān)系；社交網(wǎng)絡(luò)中包含了用戶(hù)的文本描述和用戶(hù)直接的交互關(guān)系。在文本圖上的表示學(xué)習(xí)模型，可以應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)分類(lèi)、鏈路預(yù)測(cè)等任務(wù)中，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

文本圖包含了兩方面信息：節(jié)點(diǎn)的文本信息和節(jié)點(diǎn)之間的圖結(jié)構(gòu)信息。傳統(tǒng)文本圖的建?？梢苑譃閷?duì)文本建模和對(duì)圖建模兩個(gè)角度。其中，對(duì)文本的建模方式（如圖 1.b 所示）通常采用基于 Transformer 的語(yǔ)言模型（LM）得到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的文本表示，并對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)圖建模的建模方式（圖 1.c 所示）通常采用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN），通過(guò)消息傳播機(jī)制來(lái)建模節(jié)點(diǎn)特征之間的交互，并預(yù)測(cè)目標(biāo)任務(wù)。

然而，兩種模型只能分別建模文本圖中的文本和圖結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)語(yǔ)言模型無(wú)法直接考慮結(jié)構(gòu)信息，而圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法直接對(duì)原始文本信息進(jìn)行建模。為了同時(shí)建模文本和圖結(jié)構(gòu)，研究者們嘗試將語(yǔ)言模型和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái)，同時(shí)更新兩個(gè)模型的參數(shù)。但是，現(xiàn)有工作 [2, 3] 無(wú)法同時(shí)建模大量鄰居文本，可拓展性差，無(wú)法應(yīng)用在大文本圖上。

GLEM 框架

為了更有效的融合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言模型，本文提出了 Graph and  Language Learning by Expectation Maximization (GLEM) 框架。GLEM 框架基于變分期望最大算法（Variational EM），交替學(xué)習(xí)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言模型，從而獲得了很好的可拓展性。

圖 2：GLEM 框架

具體地，以節(jié)點(diǎn)分類(lèi)任務(wù)為例，在 E 步 ， GLEM 根據(jù)真實(shí)標(biāo)簽和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的偽標(biāo)簽訓(xùn)練語(yǔ)言模型；在 M 步 ， GLEM 根據(jù)真實(shí)標(biāo)簽和語(yǔ)言模型預(yù)測(cè)的偽標(biāo)簽訓(xùn)練圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這種方式，GLEM 框架有效挖掘了局部的文本信息和全局的結(jié)構(gòu)交互信息。通過(guò) GLEM 框架訓(xùn)練好的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GLEM-GNN）和語(yǔ)言模型（GLEM-LM）都可以用來(lái)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽。

實(shí)驗(yàn)

論文的實(shí)驗(yàn)部分主要從以下幾個(gè)方面討論 GLEM 框架：

• 有效性：GLEM 模型能夠有效融合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言模型，對(duì)兩種模型都有明顯提升。GLEM 框架在 OGB 的三個(gè)文本圖節(jié)點(diǎn)分類(lèi)任務(wù)上取得了第一名。
• 可擴(kuò)展性：通過(guò)交替訓(xùn)練圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言模型，GLEM 框架可以同時(shí)訓(xùn)練大語(yǔ)言模型和深層 GNN。
• 無(wú)結(jié)構(gòu)歸納推理（Structure-free inductive）能力：傳統(tǒng) GNN 模型在面對(duì)沒(méi)有圖結(jié)構(gòu)的新節(jié)點(diǎn)時(shí)表現(xiàn)不佳。相比之下，GLEM-LM 僅使用文本特征（無(wú)需圖結(jié)構(gòu)）就能進(jìn)行有效推理。
• 模型收斂：GLEM 使用 EM 迭代算法，在一些數(shù)據(jù)集上一次 EM 迭代即可收斂。

圖 3：GLEM 框架在 OGBN-arxiv, products, papers100M 數(shù)據(jù)集上取得第一名