GCN中和图相关概念的数学表现(节点、边、度、邻接、关联、拉普拉斯)

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2021-05-21

发表自话题:512的暗示

图的一些基本知识:图,邻居,度矩阵,邻接矩阵
https://blog.csdn.net/luzaijiaoxia0618/article/details/104718146/
关联矩阵,拉普拉斯矩阵
https://blog.csdn.net/luzaijiaoxia0618/article/details/104720948

图有节点V和边E,边可以是有向的和无向的两种。两个节点之间通过边形成邻居关系。跟某一节点相关联的边的数量形成该节点的度。
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无向图分析

上图中节点为V(v1,v2,v3,v4,v5).
节点间边的关系形成邻接矩阵A
V1的邻居关系:v1v1, v1v2, v1v3, v1v4, v1v5
V2的邻居关系:v2v1, v2v2, v2v3, v2v4, v2v5
V3的邻居关系:v3v1, v3v2, v3v3, v3v4, v3v5
V4的邻居关系:v4v1, v4v2, v4v3, v4v4, v4v5
V5的邻居关系:v5v1, v5v2, v5v3, v5v4, v5v5

上图节点之间关系没有方向,可以双向表示,邻接矩阵的元素表示如下
0,1,0,0,0
1,0,1,0,1
0,1,0,1,1
0,0,1,0,1
0,1,1,1,0
和每个节点相关联的边的数量叫做度,在矩阵中放在对角位置上。邻接矩阵每一行有几个1,就表示该节点上的度为几。度矩阵D的元素可以表示如下
1,0,0,0,0,
0,3,0,0,0,
0,0,3,0,0
0,0,0,2,0
0,0,0,0,3

拉普拉斯矩阵 = 度矩阵 - 邻接矩阵,表示如下:
1, -1, 0, 0, 0
-1, 3,-1, 0,-1
0, -1, 3,-1,-1
1, 1,-1, 2,-1
1, -1,-1,-1, 3
拉普拉斯矩阵每一行的和均为0
拉普拉斯矩阵是半正定矩阵;
特征值中0出现的次数就是图连通区域的个数;
最小特征值是0,对应的特征向量为全1列向量,因为拉普拉斯矩阵每一行的和均为0
(待解)
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有向图分析


上图中节点为V(v0,v1,v2,v3,v4,v5).
节点间边的关系形成邻接矩阵A
V0的邻居关系:v0v0, v0v1, v0v2, v0v3, v0v4
V1的邻居关系:v1v0, v1v1, v1v2, v1v3, v1v4
V2的邻居关系:v2v0, v2v1, v2v2, v2v3, v2v4
V3的邻居关系:v3v0, v3v1, v3v2, v3v3, v3v4
V4的邻居关系:v4v0, v4v1, v4v2, v4v3, v4v4
上图节点之间关系有向邻接矩阵的元素表示如下
0,1,0,0,0
1,0,0,0,1
0,1,0,1,0
1,0,0,0,0
0,0,0,1,0
和每个节点相关联的边的数量叫做度,在矩阵中放在对角位置上。邻接矩阵每一行有几个1,就表示该节点上的度为几。度矩阵D的元素可以表示如下
1,0,0,0,0,
0,2,0,0,0,
0,0,2,0,0
0,0,0,1,0
0,0,0,0,1

关联矩阵
节点N和边数量M形成的矩阵。
有向图的关联矩阵,两个节点之间有边,一共形成M条边。多某节点而言,若节点在边的起点,则矩阵元素值为1,若节点在边的终点,则矩阵值为-1,若某条边和该节点没有关系,则矩阵元素为0.

上图中,四个节点V1,V2,V3,V4,三条边e1,e2,e3,其中
v1是e1,e2的起点,和e3无关联。矩阵元素为(1,1,0)
v2是e2的终点,和e1、e3无关联。矩阵元素为(0,-1,0)
v3是e1,e3的终点,和e2无关联。矩阵元素为(-1,0,-1)
v4是e3的起点,和e1,e2无关联。矩阵元素为(0,0,1)
四个节点和三条边形成的矩阵如下

节点/边 e1 e2 e3
v1 1, 1, 0
v2 0, -1, 0
v3 -1, 0, -1,
v4 0, 0, 1
可以看出,每一条边和某一个节点是起点关系1,势必和另一个节点是终点关系-1。因此,每一条边作为一个列,每列元素之和为0
矩阵中任一行可以从其他 n-1 行中导出,即只有 n-1 行是独立的(待解)
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无向图的关联矩阵

节点/边 e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7
v1 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1
v2 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0
v3 0 , 1, 1, 0, 0, 1, 1
v4 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0
v5 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0
列元素作为边的表示,有且只有两个1;
行元素作为节点的表示,元素之和表示该节点的边的数量度;
某一行所有元素为0,则表示该节点不与其他节点有关联,是孤立点。
重边所对应的列元素完全相同(待解)
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