[Математика, Машинное обучение, Управление проектами, Управление продуктом] Учиться, учиться, и ещё раз учиться?
Автор
Сообщение
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286
TLDR: крохотные модельки обошли модные графовые нейронки в предсказании свойств молекул.
Код: здесь. Берегите Природу.
ФОТО: Андерс Хеллберг для Wikimedia Commons, модель — Грета Тунберг
Необученная графовая свёрточная нейронная сеть [1] (uGCN) со случайной инициализацией весов уже пару лет занимает первое место в моём списке алгоритмов для задач машинного обучения на графах из-за копеечной стоимости, простоты реализации, да вполне очевидной элегантности решения. В то же время, насколько мне известно, никто ещё не не проводил соревнований между этой простой моделью и её старшей сестрой — полноценно обученной графовой свёрточной нейронной сетью (GCN) в режиме обучения с учителем. Вот я сделал.
Мотивация: показать, что uGCN выдаёт качественные представления, которые можно использовать в последующих задачах машинного обучения в индуктивном режиме, когда модели обобщаются к не виденным ранее данным (вдохновлено недавним отчётом [2] о производительности простых моделей в трансдуктивном случае).
Полученные результаты — занимательны. В худшем случае простые модели (uGCN + degree kernel + random forest) показали счёт 54:90 против полноценно обученных GCN, в то время как реалистичный сценарий закончился разгромным реваншем 93:51, указывающим на то, что мы можем позволить себе почти бесплатные эмбеддинги, которые превосходят или показывают результаты на уровне полноценно обученных GCN в задаче предсказания свойств графа (например — эффекта медикаментов: яд или лекарство) за долю стоимости. Простые модели обучались ~10 минут в то время как весь эксперимент продлился ~4 часа. Перейдём же к деталям и разберёмся с тем, что произошло!
Основные понятия
Многие из важных наборов данных об окружающем нас мире имеют связный характер: социальные сети, графы знаний, взаимодействия белков, всемирная паутина WWW и т.д. (просто несколько примеров) [1].
Граф, обыкновенно записываемый как G=(V, E) — это математическая модель, множество множеств, состоящее из набора вершин V и множества рёбер E — попарных связей e(i, j) между вершинами i и j. Расширением Графа является модель Граф со Свойствами (Labeled Property Graph), позволяющий задать вектор признаков xi для вершины i (мы также можем определять свойства для рёбер, однако это выходит за рамки сегодняшнего эксперимента). Графовая нейронная сеть [3] (GNN) — это модель машинного обучения (параметрическая функция, которая подбирает, другими словами — выучивает, параметры из данных), расширяющая возможности хорошо известного семейства алгоритмов, вдохновлённых биологией, до работы с неструктурированными данными в виде графов. На мой взгляд, передача сообщений — это самая простая интуиция для понимания механики работы GNN и вполне оправдано обратиться к мнемоническому правилу 'скажи мне, кто твой друг и я скажу тебе кто ты'. Графовые свёрточные нейронные сети (GCN) очень подробно описал их изобретатель здесь (https://tkipf.github.io/graph-convolutional-networks/) и мне, право, непросто что-то ещё добавить к этой замечательной истории.
Дабы не заниматься самоцитированием, предложу читателю ознакомиться с рассказом о том, где и как врубиться в эмбеддинги графов, а также — с примером использования GCN в структурном моделировании организационных изменений и ощущениях стейкхолдеров во время кадровых перестановок, неизбежных при внедрении больших информационных систем, вроде SAP. Эти два текста стоит воспринимать как первые главы повествования о методах анализа связанных систем, также там в деталях рассматривается используемая форма математической записи.
Многослойная GCN с фильтрами первого порядка.
Данные
Проведём серию экспериментов на общедоступных данных. Мы обратимся к (i) коллекции TUDatasets [4] и (ii) ограничим наше упражнение задачей бинарной классификации (предсказанием свойств) небольших молекул. Ещё одним условием нашего мероприятия будет (iii) использование графов с признаками вершин.
Заданные ограничения оставляют нам несколько наборов данных, широко используемых для сравнения современных алгоритмов. Вот наш итоговый список: AIDS, BZR, COX2, DHFR, MUTAG и PROTEINS. Все обозначенные наборы данных доступны как часть Pytorch Geometric [5] (библиотека для глубокого обучения на графах) в двух версиях: оригинальной и очищенной от дубликатов [6]. Итого у нас будет 12 датасетов.
AIDS Antiviral Screen Data [7]
Результаты экспериментов по выявлению химических соединений, негативно влияющих на вирус иммунодефицита человека. Представляет собой результат тестирования и химическую структуру соединений не покрытых соглашениями о неразглашении. В оригинальном наборе содержится 2000 молекул, а очищенная версия оставляет нам 1110 точек данных, каждая из которых представляет собой граф, вершины которого описывают 37 признаков.
Benzodiazepine receptor (BZR) ligands [8]
Оригинальный набор содержит 405 молекул, очищенная версия — 276, по 35 признаков на вершину.
Cyclooxygenase-2 (COX-2) inhibitors [8]
Оригинальный набор содержит 467 молекул, очищенная версия — 237, по 35 признаков на вершину.
Dihydrofolate reductase (DHFR) inhibitors [8]
Оригинальный набор содержит 756 молекул, очищенная версия — 578, 35 признаков на вершину.
MUTAG [9]
В наборе содержится 188 химических соединений, разделённых на два класса согласно их мутагенному воздействию на бактерии. В очищенной версии — 135 молекул, 7 признаков на вершину.
PROTEINS [10]
Энзимы и не-энзимы. В оригинальном наборе содержится 1113 молекул, по 3 признака на вершину. Очищенная версия — 975 структур.
Дизайн Эксперимента
Мы устроим турнир!
Для каждого набора данных проведём 12 раундов обучения и тестирования.
В каждом раунде:
(1) псевдослучайным образом разделим данные в пропорции 80/20 в Pytorch Geometric (начиная со стартового параметра генератора random seed = 42 и увеличивая его на единицу в каждом последующем раунде), таким образом 80% точек данных (графов) будут использованы в качестве обучающей выборки, а оставшиеся 20% — будут тестовой выборкой;
(2) обучим модели и оценим долю верных ответов (accuracy) на тесте.
Для простых моделей это значит предобработку для того, чтобы создать признаки, на которых будет обучен классификатор.
Для GCN мы проводим 200 эпох обучения и тестирования со скоростью обучения learning rate = 0.01 и принимаем во внимание:
(А) среднее значение доли верных ответов для 10 финальных эпох обучения — реалистичный сценарий;
(В) наибольшее значение доли верных ответов, достигнутое в процессе обучения (как если бы мы сохраняли промежуточное состояние для того, чтобы выбрать наилучшую модель впоследствии) — наилучший сценарий для GCN (и наихудший для простых моделей);
(3) лучшей модели присуждается 1 балл;
(4) в случае ничьей балл присуждается лёгкой модели.
Всего будет распределено 288 баллов: 12 датасетов 12 раундов 2 сценария.
Модели
Degree kernel (DK) или степенное ядро — гистограмма степеней вершин (количество рёбер, соединённых с вершиной), нормированная к числу вершин в графе (таким образом вектор признаков для каждого графа состоит из размеров долей вершин с количеством связей, равным индексу признака, от всего множества вершин — в сумме они дают единицу).
import networkx as nx
import numpy as np
from scipy.sparse import csgraph
# g - граф формате популярной библиотеки NetworkX
numNodes = len(g.nodes)
degreeHist = nx.degree_histogram(g)
# нормализуем
degreeHist = [x/numNodes for x in degreeHist]
Необученная графовая свёрточная нейронная сеть (uGCN) со случайной инициализацией весов — 3 слоя с промежуточной нелинейной активацией (ReLU, т.е. f(x) = max(x, 0)). Аггрегация усреднением полученных после прямого прохода 64-разрядных векторов (эмбеддинги вершин) позволяет получить компактное представление графа. Это на самом деле очень просто.
A = nx.convert_matrix.to_scipy_sparse_matrix(g)
Воспользуемся вариантом реализации одного слоя свёртки в три строки, который пару лет назад предложил iggisv9t :
# A - матрица связности графа
# X - матрица признаков вершин (np.array)
D = sparse.csgraph.laplacian(A, normed=True)
shape1 = X.shape[1]
X = np.hstack((X, (D @ X[:, -shape1:])))
(код здесь приводится чтобы подчеркнуть очаровательный минимализм реализации метода)
Разберём его на части и пересоберём заново.
Использованная реализация uGCN выглядит так:
# A - матрица связности графа
# X - матрица признаков вершин (np.array)
# W0, W1, W2 - случайным образом инициализированные веса
D = sparse.csgraph.laplacian(A, normed=True)
# слой 0
Xc = D @ X @ W0
# ReLU
Xc = Xc * (Xc>0)
# конкатенация признаков вершин с аггрегированной информацией соседей
Xn = np.hstack((X, Xc))
# слой 1
Xc = D @ Xn @ W1
# ReLU
Xc = Xc * (Xc>0)
Xn = np.hstack((Xn, Xc))
# слой 2 - эмбеддинги вершин
Xc = D @ Xn @ W2
# аггрегация усреднением - эмбеддинг графа
embedding = Xc.sum(axis=0) / Xc.shape[0]
Комбинация DK и uGCN (Mix) — конкатенацией представлений графа, полученных с помощью моделей DK и uGCN.
mix = degreeHist + list(embedding)
Для каждой из первых трёх моделей обучаем классификатор — случайный лес из 100 деревьев с максимальной глубиной в 17 ветвлений.
Графовая свёрточная нейронная сеть (GCN) — полноценно обученный классификатор, состоящий из 3 свёрточных слоёв размерностью 64 с промежуточной нелинейной активацией (ReLU), агрегацией усреднением (до этого момента архитектура GCN очень похожа на uGCN), за которой следует слой регуляризации дропаутом (произвольным обнулением разрядов с вероятностью 50%) и линейный классификатор. Мы будем обозначать результаты модели, отобранные в наилучшем для GCN сценарии (B) как GCN-B, а модели в реалистичном сценарии (А) как GCN-A.
Результаты
После 144 раундов (12 датасетов * 12 раундов) сравнения качества предсказаний на отложенной выборке между простыми моделями и полноценно обученными графовыми свёрточными сетями 288 баллов распределились как:
147:141
Доля верных ответов на тестовых выборках варьировалась между раундами и частенько случались ситуации, в которых простые модели доминировали над более сложными противниками.
Наборы данных, в которых простые модели побеждают: AIDS, DHFR(A) и MUTAG.
Например, DK собрала все 48 баллов для набора данных AIDS, демонстрируя отрыв более чем на 10% (абсолютное значение) от доли верных ответов полноценно обученной GCN.
Здесь побеждают GCN: BZR, COX2 и PROTEINS.
Индивидуальный зачёт:
90 — GCN-B;
71 — DK;
55 — Mix (uGCN + DK);
51 — GCN-A;
21 — uGCN.
Достаточно подробный протокол соревнований приведён в блокнотике с кодом, таблица с результатами раундов — здесь.
В целом, результаты стабильно варьировались между очищенными и оригинальными наборами данных. Это ещё раз напоминает о важности качества данных для проведения адекватных сравнений между моделями. Хорошая новость в том, что в исследовательском сообществе уже есть движение в данном направлении и значительные усилия лучших умов в области уже направлены на организацию честных турниров.
Выводы
Как видим, проведенный эксперимент подтверждает предположение о том, что в задаче предсказания свойств молекул мы можем позволить себе использовать почти бесплатные эмбеддинги, которые превосходят или показывают результаты на уровне полноценно обученных нейронных сетей. Наблюдения согласуются с вдохновляющими этот эксперимент результатами [2] в том, что концептуально метод Label Propagation очень похож на передачу сообщений в графовой свёрточной нейронной сети. Объяснение эффективности скорее всего следует искать в том, что на самом деле мощнее — подбирать параметры фильтров для того, чтобы внутренние представления, выученные сетью стали линейно разделимыми, либо же просто использовать классификатор помощнее, как это сделано в рассмотренном примере.
Дисперсия результатов между раундами соревнования напоминает о том, что всякое сравнение — дело непростое. Здесь стоит упомянуть Free Lunch Theorem и напомнить о том, что использовать сразу несколько моделей в построении решения — скорее хороший тон. Также важно отметить влияние разбиения на выборки в ходе сравнения — на одном и том же наборе данных одна и та же модель может показывать очень разное качество. Поэтому сравнивая модели, убедитесь, что обучаете и тестируете их на идентичных выборках. К слову, фиксация параметров генератора псевдослучайных чисел — не панацея…
Дальнейшими шагами может быть сравнение производительности моделей в рамках наборов данных больших размеров. Также стоит проверить результаты и в других задачах, таких как: предсказание связи, классификация вершин, регрессия на графах, и прочих — графовые нейронные сети (как обученные, так и просто так) — на многое способны.
Послесловие
В лекции открытого курса по графам знаний GCN названа Королевской Лазейкой Через Пространство Фурье, этот ярлык приклеился с тех пор, когда впервые выступил на публике с рассказом о силе графов и провёл первые эксперименты с классификацией картинок (как графов) для того, чтобы продемонстрировать мощь спектральных фильтров одной юной леди, запускавшей стартап в милой моему сердцу аэрокосмической области. Данная заметка появилась в результате того, что пару недель назад в реальной задаче на закрытых данных uGCN, вместе с простенькими моделями показали результат, который полноценно обученные GCN смогли превзойти всего на 2% (96 против 98) и мне вздумалось проверить вопрос о том, кто кого заборет ещё на каких-нибудь данных.
В наши дни машинное обучение на графах превратилось в знаменитость, всё больше исследователей обращают внимание на эту область и новые архитектуры графовых нейронных сетей появляются каждую неделю. Однако на самом деле мы ещё не очень хорошо понимаем почему GNN так успешны и нужны ли они для хорошего качества решения [2].
Перед тем, как ступать на очаровательный путь машинного обучения на графах, пожалуйста ознакомьтесь с основами этого дела. Значительные усилия прилагаются к тому, чтобы сделать новейшие достижения (да и классические методы тоже) доступными широкой аудитории совершенно бесплатно. Упомяну лишь несколько из таких инициатив: материалы и лекции стенфордского cs224w, площадку для тестирования качества алгоритмов Open Graph Benchmark [14] и недавнюю работу об основах геометрического глубокого обучения [15] — методологию разработки новых архитектур нейронных сетей. Напоследок, ещё раз напомню о том, что начинать проекты машинного обучения стоит с простых методов, вроде ядер и необученных графовых свёрточных сетей — достаточно часто эти модельки показывают неприлично хороший уровень.
Берегите Природу, используйте алгоритмы эффективно. Порою неученье — сила.
Литература
[1] Kipf & Welling, Semi-Supervised Classification with Graph Convolutional Networks (2017), International Conference on Learning Representations;
[2] Huang et al., Combining Label Propagation and Simple Models out-performs Graph Neural Networks (2021), International Conference on Learning Representations;
[3] Scarselli et al., The Graph Neural Network Model (2009), IEEE Transactions on Neural Networks ( Volume: 20, Issue: 1, Jan. 2009);
[4] Morris et al.,TUDataset: A collection of benchmark datasets for learning with graphs (2020), ICML 2020 Workshop on Graph Representation Learning and Beyond;
[5] Fey & Lenssen, Fast Graph Representation Learning with PyTorch Geometric (2019), ICLR Workshop on Representation Learning on Graphs and Manifolds;
[6] Ivanov, Sviridov & Burnaev, Understanding isomorphism bias in graph data sets (2019), arXiv preprint arXiv:1910.12091;
[7] Riesen & Bunke, IAM Graph Database Repository for Graph Based Pattern Recognition and Machine Learning (2008), In: da Vitora Lobo, N. et al. (Eds.), SSPR&SPR 2008, LNCS, vol. 5342, pp. 287-297;
[8] Sutherland et al., Spline-fitting with a genetic algorithm: a method for developing classification structure-activity relationships (2003), J. Chem. Inf. Comput. Sci., 43, 1906-1915;
[9] Debnath et al., Structure-activity relationship of mutagenic aromatic and heteroaromatic nitro compounds (1991), J. Med. Chem. 34(2):786-797;
[10] Dobson & Doig, Distinguishing enzyme structures from non-enzymes without alignments (2003), J. Mol. Biol., 330(4):771–783;
[11] Pedregosa et al., Scikit-learn: Machine Learning in Python (2011), JMLR 12, pp. 2825-2830;
[12] Waskom, seaborn: statistical data visualization (2021), Journal of Open Source Software, 6(60), 3021;
[13] Hunter, Matplotlib: A 2D Graphics Environment (2007), Computing in Science & Engineering, vol. 9, no. 3, pp. 90-95;
[14] Hu et al., Open Graph Benchmark: Datasets for Machine Learning on Graphs (2020), arXiv preprint arXiv:2005.00687;
[15] Bronstein et al., Geometric Deep Learning: Grids, Groups, Graphs, Geodesics, and Gauges (2021), arXiv preprint arXiv:2104.13478.
===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:
- [Управление продуктом, Финансы в IT, Микросервисы] Fintech на практике: как Quadcode технологии для трейдинга и банкинга разрабатывает
- [Анализ и проектирование систем, Управление проектами] Платформа управления бизнес-процессами: практика внедрения
- [Python] Генераторы для самых маленьких
- [Бизнес-модели, Производство и разработка электроники, Смартфоны] LG прекратила выпуск смартфонов
- [Управление проектами, Управление персоналом, Удалённая работа] Проверяем сервисы для удаленного общения и видеоконференций на собственном опыте
- [Управление разработкой, Управление продуктом] Бесшовная миграция монолитного фронтенда для критически важного бизнес-продукта
- [1С-Битрикс, Управление персоналом] Как вовремя распознать выгорание сотрудника
- [Управление персоналом, IT-компании] Доверяй, но проверяй: когда слежка за сотрудниками просто необходима
- [Исследования и прогнозы в IT, Бизнес-модели, Статистика в IT, Финансы в IT, IT-компании] Банки потеряют своих клиентов. Банки не потеряют своих клиентов
- [Анализ и проектирование систем, Big Data, Хранилища данных, Управление проектами] Создаём компанию мечты: нет хайпу
Теги для поиска: #_matematika (Математика), #_mashinnoe_obuchenie (Машинное обучение), #_upravlenie_proektami (Управление проектами), #_upravlenie_produktom (Управление продуктом), #_moda (мода), #_modeli (модели), #_grafy (графы), #_upravlenie (управление), #_protsessy (процессы), #_proekty (проекты), #_sap, #_matematika (математика), #_mashinnoe_obuchenie (машинное обучение), #_grafovye_svertochnye_seti (графовые сверточные сети), #_kadrovye_perestanovki (кадровые перестановки), #_transformatsii (трансформации), #_struktury_i_potoki (структуры и потоки), #_glubinnoe_obuchenie (глубинное обучение), #_innovatsii (инновации), #_trendy (тренды), #_python, #_blog_kompanii_open_data_science (
Блог компании Open Data Science
), #_matematika (
Математика
), #_mashinnoe_obuchenie (
Машинное обучение
), #_upravlenie_proektami (
Управление проектами
), #_upravlenie_produktom (
Управление продуктом
)
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 08:18
Часовой пояс: UTC + 5
| Автор | Сообщение |
|---|---|
|
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев |
|
|
TLDR: крохотные модельки обошли модные графовые нейронки в предсказании свойств молекул. Код: здесь. Берегите Природу.  ФОТО: Андерс Хеллберг для Wikimedia Commons, модель — Грета Тунберг Необученная графовая свёрточная нейронная сеть [1] (uGCN) со случайной инициализацией весов уже пару лет занимает первое место в моём списке алгоритмов для задач машинного обучения на графах из-за копеечной стоимости, простоты реализации, да вполне очевидной элегантности решения. В то же время, насколько мне известно, никто ещё не не проводил соревнований между этой простой моделью и её старшей сестрой — полноценно обученной графовой свёрточной нейронной сетью (GCN) в режиме обучения с учителем. Вот я сделал. Мотивация: показать, что uGCN выдаёт качественные представления, которые можно использовать в последующих задачах машинного обучения в индуктивном режиме, когда модели обобщаются к не виденным ранее данным (вдохновлено недавним отчётом [2] о производительности простых моделей в трансдуктивном случае). Полученные результаты — занимательны. В худшем случае простые модели (uGCN + degree kernel + random forest) показали счёт 54:90 против полноценно обученных GCN, в то время как реалистичный сценарий закончился разгромным реваншем 93:51, указывающим на то, что мы можем позволить себе почти бесплатные эмбеддинги, которые превосходят или показывают результаты на уровне полноценно обученных GCN в задаче предсказания свойств графа (например — эффекта медикаментов: яд или лекарство) за долю стоимости. Простые модели обучались ~10 минут в то время как весь эксперимент продлился ~4 часа. Перейдём же к деталям и разберёмся с тем, что произошло! Основные понятия Многие из важных наборов данных об окружающем нас мире имеют связный характер: социальные сети, графы знаний, взаимодействия белков, всемирная паутина WWW и т.д. (просто несколько примеров) [1]. Граф, обыкновенно записываемый как G=(V, E) — это математическая модель, множество множеств, состоящее из набора вершин V и множества рёбер E — попарных связей e(i, j) между вершинами i и j. Расширением Графа является модель Граф со Свойствами (Labeled Property Graph), позволяющий задать вектор признаков xi для вершины i (мы также можем определять свойства для рёбер, однако это выходит за рамки сегодняшнего эксперимента). Графовая нейронная сеть [3] (GNN) — это модель машинного обучения (параметрическая функция, которая подбирает, другими словами — выучивает, параметры из данных), расширяющая возможности хорошо известного семейства алгоритмов, вдохновлённых биологией, до работы с неструктурированными данными в виде графов. На мой взгляд, передача сообщений — это самая простая интуиция для понимания механики работы GNN и вполне оправдано обратиться к мнемоническому правилу 'скажи мне, кто твой друг и я скажу тебе кто ты'. Графовые свёрточные нейронные сети (GCN) очень подробно описал их изобретатель здесь (https://tkipf.github.io/graph-convolutional-networks/) и мне, право, непросто что-то ещё добавить к этой замечательной истории. Дабы не заниматься самоцитированием, предложу читателю ознакомиться с рассказом о том, где и как врубиться в эмбеддинги графов, а также — с примером использования GCN в структурном моделировании организационных изменений и ощущениях стейкхолдеров во время кадровых перестановок, неизбежных при внедрении больших информационных систем, вроде SAP. Эти два текста стоит воспринимать как первые главы повествования о методах анализа связанных систем, также там в деталях рассматривается используемая форма математической записи.  Многослойная GCN с фильтрами первого порядка. Данные Проведём серию экспериментов на общедоступных данных. Мы обратимся к (i) коллекции TUDatasets [4] и (ii) ограничим наше упражнение задачей бинарной классификации (предсказанием свойств) небольших молекул. Ещё одним условием нашего мероприятия будет (iii) использование графов с признаками вершин. Заданные ограничения оставляют нам несколько наборов данных, широко используемых для сравнения современных алгоритмов. Вот наш итоговый список: AIDS, BZR, COX2, DHFR, MUTAG и PROTEINS. Все обозначенные наборы данных доступны как часть Pytorch Geometric [5] (библиотека для глубокого обучения на графах) в двух версиях: оригинальной и очищенной от дубликатов [6]. Итого у нас будет 12 датасетов. AIDS Antiviral Screen Data [7] Результаты экспериментов по выявлению химических соединений, негативно влияющих на вирус иммунодефицита человека. Представляет собой результат тестирования и химическую структуру соединений не покрытых соглашениями о неразглашении. В оригинальном наборе содержится 2000 молекул, а очищенная версия оставляет нам 1110 точек данных, каждая из которых представляет собой граф, вершины которого описывают 37 признаков. Benzodiazepine receptor (BZR) ligands [8] Оригинальный набор содержит 405 молекул, очищенная версия — 276, по 35 признаков на вершину. Cyclooxygenase-2 (COX-2) inhibitors [8] Оригинальный набор содержит 467 молекул, очищенная версия — 237, по 35 признаков на вершину. Dihydrofolate reductase (DHFR) inhibitors [8] Оригинальный набор содержит 756 молекул, очищенная версия — 578, 35 признаков на вершину. MUTAG [9] В наборе содержится 188 химических соединений, разделённых на два класса согласно их мутагенному воздействию на бактерии. В очищенной версии — 135 молекул, 7 признаков на вершину. PROTEINS [10] Энзимы и не-энзимы. В оригинальном наборе содержится 1113 молекул, по 3 признака на вершину. Очищенная версия — 975 структур. Дизайн Эксперимента Мы устроим турнир! Для каждого набора данных проведём 12 раундов обучения и тестирования. В каждом раунде: (1) псевдослучайным образом разделим данные в пропорции 80/20 в Pytorch Geometric (начиная со стартового параметра генератора random seed = 42 и увеличивая его на единицу в каждом последующем раунде), таким образом 80% точек данных (графов) будут использованы в качестве обучающей выборки, а оставшиеся 20% — будут тестовой выборкой; (2) обучим модели и оценим долю верных ответов (accuracy) на тесте. Для простых моделей это значит предобработку для того, чтобы создать признаки, на которых будет обучен классификатор. Для GCN мы проводим 200 эпох обучения и тестирования со скоростью обучения learning rate = 0.01 и принимаем во внимание: (А) среднее значение доли верных ответов для 10 финальных эпох обучения — реалистичный сценарий; (В) наибольшее значение доли верных ответов, достигнутое в процессе обучения (как если бы мы сохраняли промежуточное состояние для того, чтобы выбрать наилучшую модель впоследствии) — наилучший сценарий для GCN (и наихудший для простых моделей); (3) лучшей модели присуждается 1 балл; (4) в случае ничьей балл присуждается лёгкой модели. Всего будет распределено 288 баллов: 12 датасетов 12 раундов 2 сценария. Модели Degree kernel (DK) или степенное ядро — гистограмма степеней вершин (количество рёбер, соединённых с вершиной), нормированная к числу вершин в графе (таким образом вектор признаков для каждого графа состоит из размеров долей вершин с количеством связей, равным индексу признака, от всего множества вершин — в сумме они дают единицу). import networkx as nx
import numpy as np from scipy.sparse import csgraph # g - граф формате популярной библиотеки NetworkX numNodes = len(g.nodes) degreeHist = nx.degree_histogram(g) # нормализуем degreeHist = [x/numNodes for x in degreeHist] Необученная графовая свёрточная нейронная сеть (uGCN) со случайной инициализацией весов — 3 слоя с промежуточной нелинейной активацией (ReLU, т.е. f(x) = max(x, 0)). Аггрегация усреднением полученных после прямого прохода 64-разрядных векторов (эмбеддинги вершин) позволяет получить компактное представление графа. Это на самом деле очень просто. A = nx.convert_matrix.to_scipy_sparse_matrix(g)
Воспользуемся вариантом реализации одного слоя свёртки в три строки, который пару лет назад предложил iggisv9t : # A - матрица связности графа
# X - матрица признаков вершин (np.array) D = sparse.csgraph.laplacian(A, normed=True) shape1 = X.shape[1] X = np.hstack((X, (D @ X[:, -shape1:]))) (код здесь приводится чтобы подчеркнуть очаровательный минимализм реализации метода) Разберём его на части и пересоберём заново. Использованная реализация uGCN выглядит так: # A - матрица связности графа
# X - матрица признаков вершин (np.array) # W0, W1, W2 - случайным образом инициализированные веса D = sparse.csgraph.laplacian(A, normed=True) # слой 0 Xc = D @ X @ W0 # ReLU Xc = Xc * (Xc>0) # конкатенация признаков вершин с аггрегированной информацией соседей Xn = np.hstack((X, Xc)) # слой 1 Xc = D @ Xn @ W1 # ReLU Xc = Xc * (Xc>0) Xn = np.hstack((Xn, Xc)) # слой 2 - эмбеддинги вершин Xc = D @ Xn @ W2 # аггрегация усреднением - эмбеддинг графа embedding = Xc.sum(axis=0) / Xc.shape[0] Комбинация DK и uGCN (Mix) — конкатенацией представлений графа, полученных с помощью моделей DK и uGCN. mix = degreeHist + list(embedding)
Для каждой из первых трёх моделей обучаем классификатор — случайный лес из 100 деревьев с максимальной глубиной в 17 ветвлений. Графовая свёрточная нейронная сеть (GCN) — полноценно обученный классификатор, состоящий из 3 свёрточных слоёв размерностью 64 с промежуточной нелинейной активацией (ReLU), агрегацией усреднением (до этого момента архитектура GCN очень похожа на uGCN), за которой следует слой регуляризации дропаутом (произвольным обнулением разрядов с вероятностью 50%) и линейный классификатор. Мы будем обозначать результаты модели, отобранные в наилучшем для GCN сценарии (B) как GCN-B, а модели в реалистичном сценарии (А) как GCN-A. Результаты После 144 раундов (12 датасетов * 12 раундов) сравнения качества предсказаний на отложенной выборке между простыми моделями и полноценно обученными графовыми свёрточными сетями 288 баллов распределились как: 147:141 Доля верных ответов на тестовых выборках варьировалась между раундами и частенько случались ситуации, в которых простые модели доминировали над более сложными противниками.  Наборы данных, в которых простые модели побеждают: AIDS, DHFR(A) и MUTAG. Например, DK собрала все 48 баллов для набора данных AIDS, демонстрируя отрыв более чем на 10% (абсолютное значение) от доли верных ответов полноценно обученной GCN.  Здесь побеждают GCN: BZR, COX2 и PROTEINS. Индивидуальный зачёт: 90 — GCN-B; 71 — DK; 55 — Mix (uGCN + DK); 51 — GCN-A; 21 — uGCN. Достаточно подробный протокол соревнований приведён в блокнотике с кодом, таблица с результатами раундов — здесь. В целом, результаты стабильно варьировались между очищенными и оригинальными наборами данных. Это ещё раз напоминает о важности качества данных для проведения адекватных сравнений между моделями. Хорошая новость в том, что в исследовательском сообществе уже есть движение в данном направлении и значительные усилия лучших умов в области уже направлены на организацию честных турниров. Выводы Как видим, проведенный эксперимент подтверждает предположение о том, что в задаче предсказания свойств молекул мы можем позволить себе использовать почти бесплатные эмбеддинги, которые превосходят или показывают результаты на уровне полноценно обученных нейронных сетей. Наблюдения согласуются с вдохновляющими этот эксперимент результатами [2] в том, что концептуально метод Label Propagation очень похож на передачу сообщений в графовой свёрточной нейронной сети. Объяснение эффективности скорее всего следует искать в том, что на самом деле мощнее — подбирать параметры фильтров для того, чтобы внутренние представления, выученные сетью стали линейно разделимыми, либо же просто использовать классификатор помощнее, как это сделано в рассмотренном примере. Дисперсия результатов между раундами соревнования напоминает о том, что всякое сравнение — дело непростое. Здесь стоит упомянуть Free Lunch Theorem и напомнить о том, что использовать сразу несколько моделей в построении решения — скорее хороший тон. Также важно отметить влияние разбиения на выборки в ходе сравнения — на одном и том же наборе данных одна и та же модель может показывать очень разное качество. Поэтому сравнивая модели, убедитесь, что обучаете и тестируете их на идентичных выборках. К слову, фиксация параметров генератора псевдослучайных чисел — не панацея…  Дальнейшими шагами может быть сравнение производительности моделей в рамках наборов данных больших размеров. Также стоит проверить результаты и в других задачах, таких как: предсказание связи, классификация вершин, регрессия на графах, и прочих — графовые нейронные сети (как обученные, так и просто так) — на многое способны. Послесловие В лекции открытого курса по графам знаний GCN названа Королевской Лазейкой Через Пространство Фурье, этот ярлык приклеился с тех пор, когда впервые выступил на публике с рассказом о силе графов и провёл первые эксперименты с классификацией картинок (как графов) для того, чтобы продемонстрировать мощь спектральных фильтров одной юной леди, запускавшей стартап в милой моему сердцу аэрокосмической области. Данная заметка появилась в результате того, что пару недель назад в реальной задаче на закрытых данных uGCN, вместе с простенькими моделями показали результат, который полноценно обученные GCN смогли превзойти всего на 2% (96 против 98) и мне вздумалось проверить вопрос о том, кто кого заборет ещё на каких-нибудь данных. В наши дни машинное обучение на графах превратилось в знаменитость, всё больше исследователей обращают внимание на эту область и новые архитектуры графовых нейронных сетей появляются каждую неделю. Однако на самом деле мы ещё не очень хорошо понимаем почему GNN так успешны и нужны ли они для хорошего качества решения [2]. Перед тем, как ступать на очаровательный путь машинного обучения на графах, пожалуйста ознакомьтесь с основами этого дела. Значительные усилия прилагаются к тому, чтобы сделать новейшие достижения (да и классические методы тоже) доступными широкой аудитории совершенно бесплатно. Упомяну лишь несколько из таких инициатив: материалы и лекции стенфордского cs224w, площадку для тестирования качества алгоритмов Open Graph Benchmark [14] и недавнюю работу об основах геометрического глубокого обучения [15] — методологию разработки новых архитектур нейронных сетей. Напоследок, ещё раз напомню о том, что начинать проекты машинного обучения стоит с простых методов, вроде ядер и необученных графовых свёрточных сетей — достаточно часто эти модельки показывают неприлично хороший уровень. Берегите Природу, используйте алгоритмы эффективно. Порою неученье — сила.  Литература [1] Kipf & Welling, Semi-Supervised Classification with Graph Convolutional Networks (2017), International Conference on Learning Representations; [2] Huang et al., Combining Label Propagation and Simple Models out-performs Graph Neural Networks (2021), International Conference on Learning Representations; [3] Scarselli et al., The Graph Neural Network Model (2009), IEEE Transactions on Neural Networks ( Volume: 20, Issue: 1, Jan. 2009); [4] Morris et al.,TUDataset: A collection of benchmark datasets for learning with graphs (2020), ICML 2020 Workshop on Graph Representation Learning and Beyond; [5] Fey & Lenssen, Fast Graph Representation Learning with PyTorch Geometric (2019), ICLR Workshop on Representation Learning on Graphs and Manifolds; [6] Ivanov, Sviridov & Burnaev, Understanding isomorphism bias in graph data sets (2019), arXiv preprint arXiv:1910.12091; [7] Riesen & Bunke, IAM Graph Database Repository for Graph Based Pattern Recognition and Machine Learning (2008), In: da Vitora Lobo, N. et al. (Eds.), SSPR&SPR 2008, LNCS, vol. 5342, pp. 287-297; [8] Sutherland et al., Spline-fitting with a genetic algorithm: a method for developing classification structure-activity relationships (2003), J. Chem. Inf. Comput. Sci., 43, 1906-1915; [9] Debnath et al., Structure-activity relationship of mutagenic aromatic and heteroaromatic nitro compounds (1991), J. Med. Chem. 34(2):786-797; [10] Dobson & Doig, Distinguishing enzyme structures from non-enzymes without alignments (2003), J. Mol. Biol., 330(4):771–783; [11] Pedregosa et al., Scikit-learn: Machine Learning in Python (2011), JMLR 12, pp. 2825-2830; [12] Waskom, seaborn: statistical data visualization (2021), Journal of Open Source Software, 6(60), 3021; [13] Hunter, Matplotlib: A 2D Graphics Environment (2007), Computing in Science & Engineering, vol. 9, no. 3, pp. 90-95; [14] Hu et al., Open Graph Benchmark: Datasets for Machine Learning on Graphs (2020), arXiv preprint arXiv:2005.00687; [15] Bronstein et al., Geometric Deep Learning: Grids, Groups, Graphs, Geodesics, and Gauges (2021), arXiv preprint arXiv:2104.13478. =========== Источник: habr.com =========== Похожие новости:
Блог компании Open Data Science ), #_matematika ( Математика ), #_mashinnoe_obuchenie ( Машинное обучение ), #_upravlenie_proektami ( Управление проектами ), #_upravlenie_produktom ( Управление продуктом ) |
|
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 08:18
Часовой пояс: UTC + 5