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A Theoretical Analysis of DeepWalk and Node2vec for Exact Recovery of Community Structures in Stochastic Blockmodels

数学 顶点(图论) 因式分解 组合数学 离散数学 算法 计算机科学 理论计算机科学 图形
作者
Yichi Zhang,Minh Tang
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:46 (2): 1065-1078 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tpami.2023.3327631
摘要

Random-walk-based network embedding algorithms like DeepWalk and node2vec are widely used to obtain euclidean representation of the nodes in a network prior to performing downstream inference tasks. However, despite their impressive empirical performance, there is a lack of theoretical results explaining their large-sample behavior. In this paper, we study node2vec and DeepWalk through the perspective of matrix factorization. In particular, we analyze these algorithms in the setting of community detection for stochastic blockmodel graphs (and their degree-corrected variants). By exploiting the row-wise uniform perturbation bound for leading singular vectors, we derive high-probability error bounds between the matrix factorization-based node2vec/DeepWalk embeddings and their true counterparts, uniformly over all node embeddings. Based on strong concentration results, we further show the perfect membership recovery by node2vec/DeepWalk, followed by K-means/medians algorithms. Specifically, as the network becomes sparser, our results guarantee that with large enough window size and vertex number, applying K-means/medians on the matrix factorization-based node2vec embeddings can, with high probability, correctly recover the memberships of all vertices in a network generated from the stochastic blockmodel (or its degree-corrected variants). The theoretical justifications are mirrored in the numerical experiments and real data applications, for both the original node2vec and its matrix factorization variant.

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