如何建立一个超图详解

1.图和超图 图作为一种数据结构,由节点和边组成,可由下图表示。其中一个边只能链接两个节点。一个图可表示为G=(v,e,w)
其中v表示节点,e表示边,w表示节点的特征。关于图的表示可参考,本文不再详述。
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对于超图,其与图结构最主要的区别就是一条边可以连接多个节点,因此我们可以认为图是一种特殊的超图。超图结构如下图所示。
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超图可表示为G=(υ,ε,ω)。其中υ为节点集合,ε为超边集合,ω为超边权重的对称矩阵。超图G可以关联矩阵H来表示,其词条定义为:
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改公式可解释为如果某个节点属于某个超边,则关联矩阵H的值为1,否则为0。
对于单个节点v可定义为:
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可解释为连接该节点的所有边乘上权重向量的和。
D?和D?由d(v)和s(e)分别表示为超边和节点的对角矩阵。
单个边可定义为:
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可以理解为该边包含的所有节点之和。
2.实例 下面举出一个具体实例帮助理解超图的构建。以该图为例
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图中有8个节点,3个超边。超边的细化图如下:
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假设权重&W&为全1矩阵,因为它对构建超图数据结果无影响,那么H为一个3行8列的矩阵,表示为:
h(1,1) = 0
h(2,1) = 1
h(3,1) = 0
h(4,1) = 1
h(5,1) = 0
h(6,1) = 0
h(7,1) = 0
h(8,1) = 1
h(1,2) = 1
h(2,2) = 0
h(3,2) = 0
h(4,2) = 0
h(5,2) = 0
h(6,2) = 1
h(7,2) = 1
h(8,2) = 0
h(1,3) = 0
h(2,3) = 0
h(3,3) = 1
h(4,3) = 0
h(5,3) = 1
h(6,3) = 0
h(7,3) = 1
h(8,3) = 0
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De?表示为:
d(1) = 1
d(2) = 1
d(3) = 1
d(4) = 1
d(5) = 1
d(6) = 1
d(7) = 2
d(8) = 1
Dv?表示为:
s(1) = 3
s(2) = 3
s(3) = 3
3.代码实现 下面我们用python代码进行编程,我们的目标是在知道节点的特征W通过特征的距离来生成 G \mathcal{G} G矩阵。路线为:W,H, G \mathcal{G} G。主要代码如下:

import numpy as np#KNN生成Hx = np.array([[1,0,0,0,1,0,1,0,0,0],[1,1,1,0,0,0,1,1,1,0],[1,1,1,0,0,1,1,1,1,0],[0,1,0,0,0,0,1,0,1,0],[1,1,1,1,0,0,1,1,0,1],[1,0,1,0,0,1,0,1,1,0],[0,1,0,0,1,0,1,1,1,0],[0,1,1,0,1,0,1,0,1,1]])def Eu_dis(x):"""Calculate the distance among each raw of x:param x: N X DN: the object numberD: Dimension of the feature:return: N X N distance matrix"""x = np.mat(x)aa = np.sum(np.multiply(x, x), 1)ab = x * x.Tdist_mat = aa + aa.T - 2 * abdist_mat[dist_mat < 0] = 0dist_mat = np.sqrt(dist_mat)dist_mat = np.maximum(dist_mat, dist_mat.T)return dist_matdef hyperedge_concat(*H_list):"""Concatenate hyperedge group in H_list:param H_list: Hyperedge groups which contain two or more hypergraph incidence matrix:return: Fused hypergraph incidence matrix"""H = Nonefor h in H_list:if h is not None and h != []:# for the first H appended to fused hypergraph incidence matrixif H is None:H = helse:if type(h) != list:H = np.hstack((H, h))else:tmp = []for a, b in zip(H, h):tmp.append(np.hstack((a, b)))H = tmpreturn Hdef construct_H_with_KNN_from_distance(dis_mat, k_neig, is_probH=True, m_prob=1):"""construct hypregraph incidence matrix from hypergraph node distance matrix:param dis_mat: node distance matrix:param k_neig: K nearest neighbor:param is_probH: prob Vertex-Edge matrix or binary:param m_prob: prob:return: N_object X N_hyperedge"""n_obj = dis_mat.shape[0]# construct hyperedge from the central feature space of each noden_edge = n_objH = np.zeros((n_obj, n_edge))for center_idx in range(n_obj):dis_mat[center_idx, center_idx] = 0dis_vec = dis_mat[center_idx]nearest_idx = np.array(np.argsort(dis_vec)).squeeze()avg_dis = np.average(dis_vec)if not np.any(nearest_idx[:k_neig] == center_idx):nearest_idx[k_neig - 1] = center_idxfor node_idx in nearest_idx[:k_neig]:if is_probH:H[node_idx, center_idx] = np.exp(-dis_vec[0, node_idx] ** 2 / (m_prob * avg_dis) ** 2)else:H[node_idx, center_idx] = 1.0return Hdef construct_H_with_KNN(X, K_neigs=[10], split_diff_scale=False, is_probH=True, m_prob=1):"""init multi-scale hypergraph Vertex-Edge matrix from original node feature matrix:param X: N_object x feature_number:param K_neigs: the number of neighbor expansion:param split_diff_scale: whether split hyperedge group at different neighbor scale:param is_probH: prob Vertex-Edge matrix or binary:param m_prob: prob:return: N_object x N_hyperedge"""if len(X.shape) != 2:X = X.reshape(-1, X.shape[-1])if type(K_neigs) == int:K_neigs = [K_neigs]dis_mat = Eu_dis(X)H = []for k_neig in K_neigs:H_tmp = construct_H_with_KNN_from_distance(dis_mat, k_neig, is_probH, m_prob)if not split_diff_scale:H = hyperedge_concat(H, H_tmp)else:H.append(H_tmp)return HH = construct_H_with_KNN(x)#生成Gdef generate_G_from_H(H, variable_weight=False):"""calculate G from hypgraph incidence matrix H:param H: hypergraph incidence matrix H:param variable_weight: whether the weight of hyperedge is variable:return: G"""if type(H) != list:return _generate_G_from_H(H, variable_weight)else:G = []for sub_H in H:G.append(generate_G_from_H(sub_H, variable_weight))return Gdef _generate_G_from_H(H, variable_weight=False):"""calculate G from hypgraph incidence matrix H:param H: hypergraph incidence matrix H:param variable_weight: whether the weight of hyperedge is variable:return: G"""H = np.array(H)n_edge = H.shape[1]# the weight of the hyperedgeW = np.ones(n_edge)# the degree of the nodeDV = np.sum(H * W, axis=1)# the degree of the hyperedgeDE = np.sum(H, axis=0)invDE = np.mat(np.diag(np.power(DE, -1)))DV2 = np.mat(np.diag(np.power(DV, -0.5)))W = np.mat(np.diag(W))H = np.mat(H)HT = H.Tif variable_weight:DV2_H = DV2 * HinvDE_HT_DV2 = invDE * HT * DV2return DV2_H, W, invDE_HT_DV2else:G = DV2 * H * W * invDE * HT * DV2return GG = generate_G_from_H(H)

实验结果:
H
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G
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