Como usar a Propagação de etiquetas Scikit-Learn em dados estruturados em gráficos?

Como parte da minha pesquisa, estou interessado em realizar a propagação de rótulos em um gráfico. Estou especialmente interessado nesses dois métodos:

• Xiaojin Zhu e Zoubin Ghahramani. Aprendendo com dados rotulados e não rotulados com propagação de rótulo. Relatório Técnico CMU-CALD-02-107, Universidade Carnegie Mellon, 2002 http://pages.cs.wisc.edu/~jerryzhu/pub/CMU-CALD-02-107.pdf
• Dengyong Zhou, Olivier Bousquet, Thomas Navin Lal, Jason Weston e Bernhard Schoelkopf. Aprendendo com consistência local e global (2004) http://citeseer.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.115.3219

Vi que o scikit-learn oferece um modelo para fazer isso. No entanto, esse modelo deve ser aplicado em dados estruturados vetoriais ( isto é, pontos de dados).

O modelo constrói uma matriz de afinidade a partir dos pontos de dados usando um kernel e, em seguida, executa o algoritmo na matriz construída. Gostaria de poder inserir diretamente a matriz de adjacência do meu gráfico no lugar da matriz de similaridade.

Alguma idéia de como conseguir isso? Ou você conhece alguma biblioteca Python que permitirá executar a propagação de rótulos diretamente nos dados estruturados em gráficos para os dois métodos mencionados acima?

Agradeço antecipadamente por sua ajuda!

Respondendo minha própria pergunta aqui, pois espero que seja útil para alguns leitores.

O Scikit-learn foi desenvolvido principalmente para lidar com dados estruturados de vetor. Portanto, se você deseja executar a propagação / propagação de rótulos nos dados estruturados em gráficos, provavelmente é melhor reimplementar o método sozinho, em vez de usar a interface Scikit.

Aqui está uma implementação de Propagação de rótulo e Propagação de rótulo no PyTorch.

No geral, os dois métodos seguem as mesmas etapas algorítmicas, com variações em como a matriz de adjacência é normalizada e como os rótulos são propagados em cada etapa. Vamos, portanto, criar uma classe base para nossos dois modelos.

from abc import abstractmethod
import torch

class BaseLabelPropagation:
    """Base class for label propagation models.

    Parameters
    ----------
    adj_matrix: torch.FloatTensor
        Adjacency matrix of the graph.
    """
    def __init__(self, adj_matrix):
        self.norm_adj_matrix = self._normalize(adj_matrix)
        self.n_nodes = adj_matrix.size(0)
        self.one_hot_labels = None 
        self.n_classes = None
        self.labeled_mask = None
        self.predictions = None

    @staticmethod
    @abstractmethod
    def _normalize(adj_matrix):
        raise NotImplementedError("_normalize must be implemented")

    @abstractmethod
    def _propagate(self):
        raise NotImplementedError("_propagate must be implemented")

    def _one_hot_encode(self, labels):
        # Get the number of classes
        classes = torch.unique(labels)
        classes = classes[classes != -1]
        self.n_classes = classes.size(0)

        # One-hot encode labeled data instances and zero rows corresponding to unlabeled instances
        unlabeled_mask = (labels == -1)
        labels = labels.clone()  # defensive copying
        labels[unlabeled_mask] = 0
        self.one_hot_labels = torch.zeros((self.n_nodes, self.n_classes), dtype=torch.float)
        self.one_hot_labels = self.one_hot_labels.scatter(1, labels.unsqueeze(1), 1)
        self.one_hot_labels[unlabeled_mask, 0] = 0

        self.labeled_mask = ~unlabeled_mask

    def fit(self, labels, max_iter, tol):
        """Fits a semi-supervised learning label propagation model.

        labels: torch.LongTensor
            Tensor of size n_nodes indicating the class number of each node.
            Unlabeled nodes are denoted with -1.
        max_iter: int
            Maximum number of iterations allowed.
        tol: float
            Convergence tolerance: threshold to consider the system at steady state.
        """
        self._one_hot_encode(labels)

        self.predictions = self.one_hot_labels.clone()
        prev_predictions = torch.zeros((self.n_nodes, self.n_classes), dtype=torch.float)

        for i in range(max_iter):
            # Stop iterations if the system is considered at a steady state
            variation = torch.abs(self.predictions - prev_predictions).sum().item()

            if variation < tol:
                print(f"The method stopped after {i} iterations, variation={variation:.4f}.")
                break

            prev_predictions = self.predictions
            self._propagate()

    def predict(self):
        return self.predictions

    def predict_classes(self):
        return self.predictions.max(dim=1).indices

O modelo toma como entrada a matriz de adjacência do gráfico, bem como os rótulos dos nós. Os rótulos estão na forma de um vetor de um número inteiro, indicando o número da classe de cada nó com -1 na posição de nós não rotulados.

O algoritmo de propagação de rótulo é apresentado abaixo.

$$\begin{array}{l}{ \mathbf{W} \text {: adjacency matrix of the graph} \\ \text { Compute the diagonal degree matrix } \mathbf{D} \text { by } \mathbf{D}_{i i} \leftarrow \sum_{j} W_{i j}} \\ {\text { Initialize } \hat{Y}^{(0)} \leftarrow\left(y_{1}, \ldots, y_{l}, 0,0, \ldots, 0\right)} \\ {\text { Iterate }} \\ {\text { 1. } \hat{Y}^{(t+1)} \leftarrow \mathbf{D}^{-1} \mathbf{W} \hat{Y}^{(t)}} \\ {\text { 2. } \hat{Y}_{l}^{(t+1)} \leftarrow Y_{l}} \\ {\text { until convergence to } \hat{Y}^{(\infty)}} \\ {\text { Label point } x_{i} \text { by the sign of } \hat{y}_{i}^{(\infty)}}\end{array}$$

De Xiaojin Zhu e Zoubin Ghahramani. Aprendendo com dados rotulados e não rotulados com propagação de rótulo. Relatório Técnico CMU-CALD-02-107, Carnegie Mellon University, 2002

Temos a seguinte implementação.

class LabelPropagation(BaseLabelPropagation):
    def __init__(self, adj_matrix):
        super().__init__(adj_matrix)

    @staticmethod
    def _normalize(adj_matrix):
        """Computes D^-1 * W"""
        degs = adj_matrix.sum(dim=1)
        degs[degs == 0] = 1  # avoid division by 0 error
        return adj_matrix / degs[:, None]

    def _propagate(self):
        self.predictions = torch.matmul(self.norm_adj_matrix, self.predictions)

        # Put back already known labels
        self.predictions[self.labeled_mask] = self.one_hot_labels[self.labeled_mask]

    def fit(self, labels, max_iter=1000, tol=1e-3):
        super().fit(labels, max_iter, tol)

O algoritmo de propagação de rótulo é:

$$\begin{array}{l}{ \mathbf{W} \text {: adjacency matrix of the graph} \\ \text { Compute the diagonal degree matrix } \mathbf{D} \text { by } \mathbf{D}_{i i} \leftarrow \sum_{j} W_{i j}} \\ {\text { Compute the normalized graph Laplacian } \\ \mathcal{L} \leftarrow \mathbf{D}^{-1 / 2} \mathbf{W} \mathbf{D}^{-1 / 2}} \\ {\text { Initialize } \hat{Y}^{(0)} \leftarrow\left(y_{1}, \ldots, y_{l}, 0,0, \ldots, 0\right)} \\ {\text { Choose a parameter } \alpha \in[0,1)} \\ {\text { Iterate } \hat{Y}(t+1) \leftarrow \alpha \mathcal{L} \hat{Y}^{(t)}+(1-\alpha) \hat{Y}^{(0)} \text { until convergence to } \hat{Y}^{(\infty)}} \\ {\text { Label point } x_{i} \text { by the sign of } \hat{y}_{i}^{(\infty)}} \end{array}$$

De Dengyong Zhou, Olivier Bousquet, Thomas Navin Lal, Jason Weston e Bernhard Schoelkopf. Aprendendo com consistência local e global (2004)

A implementação é, portanto, a seguinte.

class LabelSpreading(BaseLabelPropagation):
    def __init__(self, adj_matrix):
        super().__init__(adj_matrix)
        self.alpha = None

    @staticmethod
    def _normalize(adj_matrix):
        """Computes D^-1/2 * W * D^-1/2"""
        degs = adj_matrix.sum(dim=1)
        norm = torch.pow(degs, -0.5)
        norm[torch.isinf(norm)] = 1
        return adj_matrix * norm[:, None] * norm[None, :]

    def _propagate(self):
        self.predictions = (
            self.alpha * torch.matmul(self.norm_adj_matrix, self.predictions)
            + (1 - self.alpha) * self.one_hot_labels
        )

    def fit(self, labels, max_iter=1000, tol=1e-3, alpha=0.5):
        """
        Parameters
        ----------
        alpha: float
            Clamping factor.
        """
        self.alpha = alpha
        super().fit(labels, max_iter, tol)

Vamos agora testar nossos modelos de propagação em dados sintéticos. Para fazer isso, escolhemos usar um gráfico de homem das cavernas .

import pandas as pd
import numpy as np
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# Create caveman graph
n_cliques = 4
size_cliques = 10
caveman_graph = nx.connected_caveman_graph(n_cliques, size_cliques)
adj_matrix = nx.adjacency_matrix(caveman_graph).toarray()

# Create labels
labels = np.full(n_cliques * size_cliques, -1.)

# Only one node per clique is labeled. Each clique belongs to a different class.
labels[0] = 0
labels[size_cliques] = 1
labels[size_cliques * 2] = 2
labels[size_cliques * 3] = 3

# Create input tensors
adj_matrix_t = torch.FloatTensor(adj_matrix)
labels_t = torch.LongTensor(labels)

# Learn with Label Propagation
label_propagation = LabelPropagation(adj_matrix_t)
label_propagation.fit(labels_t)
label_propagation_output_labels = label_propagation.predict_classes()

# Learn with Label Spreading
label_spreading = LabelSpreading(adj_matrix_t)
label_spreading.fit(labels_t, alpha=0.8)
label_spreading_output_labels = label_spreading.predict_classes()

# Plot graphs
color_map = {-1: "orange", 0: "blue", 1: "green", 2: "red", 3: "cyan"}
input_labels_colors = [color_map[l] for l in labels]
lprop_labels_colors = [color_map[l] for l in label_propagation_output_labels.numpy()]
lspread_labels_colors = [color_map[l] for l in label_spreading_output_labels.numpy()]

plt.figure(figsize=(14, 6))
ax1 = plt.subplot(1, 4, 1)
ax2 = plt.subplot(1, 4, 2)
ax3 = plt.subplot(1, 4, 3)

ax1.title.set_text("Raw data (4 classes)")
ax2.title.set_text("Label Propagation")
ax3.title.set_text("Label Spreading")

pos = nx.spring_layout(caveman_graph)
nx.draw(caveman_graph, ax=ax1, pos=pos, node_color=input_labels_colors, node_size=50)
nx.draw(caveman_graph, ax=ax2, pos=pos, node_color=lprop_labels_colors, node_size=50)
nx.draw(caveman_graph, ax=ax3, pos=pos, node_color=lspread_labels_colors, node_size=50)

# Legend
ax4 = plt.subplot(1, 4, 4)
ax4.axis("off")
legend_colors = ["orange", "blue", "green", "red", "cyan"]
legend_labels = ["unlabeled", "class 0", "class 1", "class 2", "class 3"]
dummy_legend = [ax4.plot([], [], ls='-', c=c)[0] for c in legend_colors]
plt.legend(dummy_legend, legend_labels)

plt.show()

Os modelos implementados funcionam corretamente e permitem detectar as comunidades no gráfico.

Nota: Os métodos de propagação apresentados devem ser usados ​​em gráficos não direcionados.

O código está disponível como um bloco de anotações Jupyter interativo aqui .