论文浅尝 - ACL2020 | Segmented Embedding of Knowledge Graphs

来源：ACL2020

链接：https://arxiv.org/pdf/2005.00856.pdf

摘要

知识图谱的嵌入愈发变成AI的热点之一，对许多下游任务至关重要（如个性化推荐、问答等）

同时，此模型强调两个关键特性：

利用足够多的特征进行交叉计算（分块）

同时在计算时，区别对称关系、非对称关系特征

本文的贡献有两个：
1.提出了轻量级框架SEEK，同时满足模型低复杂性、高表达力
2.提出了新的打分函数，同时完成特征整合、关系留存

1 引言

知识图谱 knowledge graph (KG)含有大量的实体和关系，表示为三元组(h, r, t)，即(头实体 , 关系, 尾实体)

知识图谱嵌入(KGE)是为了，把大量相关的三元组映射到低维空间（保留潜在的语义信息）现有的KGE模型存在的问题：不能很好地平衡模型复杂性（模型参数的数量）和模型表达力（获取语义信息的能力），如下分为两类：

1）模型简单、表达有限
如：TransE、DistMult （简单易用，获取语义信息的能力欠佳）

2）模型复杂、表达力强
如：TransH、TransR、Single DistMult、ConvE、InteractE （模型复杂，需要大量向量计算，扩展性差）

本文的轻量级KGE框架SEEK有如下特性：特征有交互、保留关系特性、高效的打分函数、

特征交互：把嵌入空间分为多块，让各块之间有关联（而不用增加模型参数）

关系特性：同时保留对称的、非对称的关系（对称关系：双向关系；非对称关系：单向关系）

打分函数：结合上述两种特征，计算得分（来自于3个模型的打分函数：DistMult、HoIE、ComplEx）

2 SEEK的框架

各种打分函数是KGE(knowledge graph embedding )的基础，基于此我们建立了SEEK本文提出的SEEK模型的参数和TransE、DistMult一样少，却能更好地表达图谱。

2.1 得分函数的Design

SEEK在得分函数的设计中，迭代了四个版本，逐一看下。

f₁: Multi-linear Dot Product：

下图是公式，具体是计算头实体h，尾实体 t，关系 r 之间的点乘。这个是以下公式的基础。

             

f₂: Multi-linear Dot Product Among Segments：

将嵌入维度划分为多段，考虑段与段之间的信息交互。其中 k 是段的个数，d是维度，x 代表关系向量 r 切分后的第 x 段，y 代表头实体向量 h 切分后的第 y 段，w 代表尾实体向量 t 切分后的第 w 段。

例如，我们可以将关系向量嵌入表示为：

          

         

f₃: Modeling both Symmetric and Antisymmetric Relations：

我们需要考虑关系的对称性和反对称性。

对于f₂模型来说，当给一个具有对称性的关系 r 和一个三元组 (h, r, t)，存在f₂(h, r, t) = f₂(t, r, h)，但是对于给定一个反对称关系 r ，仍然存在f₂(h, r, t) = f₂(t, r, h)，这就是不对的，因为此时的 f₂(t, r, h)是一个错的三元组。

为了考虑关系的对称性和反对称性，将关系向量 r的切割分为奇数和偶数两部分，并引入变量 S_x,y，偶数部分能够捕捉对称性，并且奇数部分能够捕捉反对称性。

           

          

其中S_x,y控制了关系向量的切割点为奇数与偶数时三元组的正负关系。下面是分成 2 段的一个例子

     

f₄: Reducing Computing Overheads

优化计算复杂度。

f3 算法的时间复杂度是O(n²)级别的，还是较高，f4优化了其复杂度，降至O(n²)。

对尾实体 t 引入变量W_x,y，具体的计算公式如下，也是分为奇数偶数部分， k 为分割段数，S_x,y计算和f₃一样。

       

          

    其中由于W_x,y的计算只与x和y存在关系，因此时间复杂度降为了O(n2),下面是分成 4 段的一个例子

r 的下标为偶数的情况下，考虑了对称性，S_x,y计算和f₃一样，都是正(+)，偶数的情况下 t 也没有变化。

r 的下标为奇数的情况下，考虑了反对称性，Sxy 计算和 f₃ 一样，x + y 大于等于 4 的时候为负，其余为正，t 的计算是 (x + y) % k 取余，替换尾实体，段之间的特征交互随着k的增大而增多。

        

2.2 模型训练

损失函数为-log函数，L₂正则化，激活函数sigmoid

    Θ：向量嵌入时的参数
    Ω：图谱中本来的三元组、生成的负样本三元组
梯度的计算公式：

    L目标函数，Θ参数，对f₄求导时：

3 实验效果

验证效果采用的数据集是 FB15K，DB100K 和 YAGO37，FB15K 是 Freebase 的子集，DB100K来自DBpedia，YAGO37 来自 YAGO3，具体数据如下：

       

采用的评测任务是链接预测，在三个数据集上面的效果如下图，其中k和d 的设置在三个数据集上面都不一致，是采用网格搜索找到的最优超参数。

评测指标，MRR：所有正确实例排名的倒数的平均值；Hits@N：正确实例的排名中不大于 N 的比例。

4 总结

本文提出一个轻量级框架SEEK，利用打分函数，在不增加模型参数的情况下，提高了模型对知识图谱的嵌入表示效果。主要原理是：1.分块并利用不同块之间的特征交叉计算 2.区分并保留多种关系 。同时SEEK是一个普适性更强的模型，DistMult, ComplEx, HolE可作为SEEK的特例。本文从效率、效果、鲁棒性方面阐述了SEEK的性能。

 

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