Aprendendo medidas de centralidade com redes grafo-neurais

Abstract

Centrality Measures are important metrics used in Social Network Analysis. Such measures allow one to infer which entity in a network is more central (informally, more important) than another. Analyses based on centrality measures may help detect possible social influencers, security weak spots, etc. This dissertation investigates methods for learning how to predict these centrality measures using only the graph’s structure. More specifically, different ways of ranking the vertices according to their centrality measures are shown, as well as a brief analysis on how to approximate the centrality measures themselves. This is achieved by building on previous work that used neural networks to estimate centrality measures given other centrality measures. In this dissertation, we use the concept of a Graph Neural Network – a Deep Learning model that builds the computation graph according to the topology of a desired input graph. Here these models’ performances are evaluated with different centrality measures, briefly comparing them with other machine learning models in the literature. The analyses for both the approximation and ranking of the centrality measures are evaluated and we show that the ranking of centrality measures is easier to compute. The transfer between the tasks of predicting these different centralities is analysed, and the advantages of each model is highlighted. The models are tested on graphs from different random distributions than the ones they were trained with, on graphs larger than the ones they saw during training as well as with real world instances that are much larger than the largest training graphs. The internal embeddings of the vertices produced by the model are analysed through lower-dimensional projections and conjectures are made on the behaviour seen in the experiments. Finally, we raise and identify possible future work highlighted by the experimental results presented here.Medidas de Centralidade são um tipo de métrica importante na Análise de Redes Sociais. Tais métricas permitem inferir qual entidade é mais central (ou informalmente, mais importante) que outra. Análises baseadas em medidas de centralidade podem ajudar a detectar influenciadores sociais, pontos fracos em sistemas de segurança, etc. Nesta dissertação se investiga métodos para aprender a predizer estas medidas de centralidade utilizando somente a estrutura do grafo de entrada. Mais especificamente, são demonstradas diferentes formas de se classificar os vértices de acordo com suas medidas de centralidade, assim como uma breve análise de como aproximar estas medidas de centralidade. Nesta dissertação utiliza-se o conceito de uma Rede Grafo-Neural – um model de Aprendizagem Profunda que constrói o grafo de computação de acordo com a topologia do grafo que recebe de entrada. Aqui as performances destes modelos são avaliadas com várias medidas de centralidade e são comparadas com outros modelos de aprendizado de máquina na literatura. As análises para tanto a aproximação quanto a classificação das medidas de centralidade são feitas e se mostra que a classificação é mais fácil de ser computada. A transferência entre as tarefas de predizer as diferentes centralidades é analizada e as vantagens de cada modelo são destacadas. Os modelos são testados em grafos de distribuições aleatórias diferentes das quais foram treinados, em grafos maiores daqueles vistos durante o treinamento assim como com instâncias reais que são muito maiores do que as maiores instâncias vistas durante o treinamento. As representações internas dos vértices aprendidas pelo modelo são analisadas através de projeções de menor dimensão e se conjectura sobre o comportamento visto nos experimentos. Por fim, se identifica possíveis futuros trabalhosm destacados pelos resultados experimentais apresentados aqui