ChatGPT と Python で学ぶ graph convolution network (GCN) 

「ChatGPT で Python プログラミング ケーススタディ」、今度は graph convolution network (GCN) について、ChatGPTとチャットしながらちゃっちゃとPythonプログラミングしてみました。それでは、ChatGPTとの会話を楽しんでください！

ChatGPT と Python で学ぶ graph convolution network (GCN) にタイトルを変えました！（10/16）


### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを書いてください。

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### **assistant**:

以下の例は、Pythonを用いてGraph Convolution Network  (GCN)における畳み込みがどのように行われているかを誉めるコードです。ここでは、PyTorchとDGL (Deep Graph Library)を用いており、具体的な手順は以下の通りです。

1. 必要なパッケージをインポート
2. Graphを作成
3. Node featureを初期化
4. Normalizeするための関数を定義
5. GCN layerを定義
6. GCN modelを定義
7. GCN modelをApply

```python
# 1. Import Necessary Packages
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

import dgl
from dgl import DGLGraph

# 2. Create a Small Graph
def build_karate_club_graph():
    g = dgl.DGLGraph()
    g.add_nodes(34)  # 34 nodes
    edge_list = [(1, 0), (2, 0), (2, 1), (3, 0), (3, 1), (3, 2), ...
    g.add_edges([edge[0] for edge in edge_list], [edge[1] for edge in edge_list])
    return g

G = build_karate_club_graph()

# 3. Initialize Node Features
G.ndata['feat'] = torch.eye(34)

# 4. Define a Function for Normalizing
def normalize_adjacency(G):
    degs = G.in_degrees().float()
    norm = torch.pow(degs, -0.5)
    norm[torch.isinf(norm)] = 0
    norm = norm.view(-1,1)
    G.ndata['norm'] = norm
    return G

# 5. Define Graph Convolution (GCN) Layer
class GCNLayer(nn.Module):
    def __init__(self, in_features, out_features):
        super(GCNLayer, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(in_features, out_features)
        
    def forward(self, G, feature):
        with G.local_scope():
            G.ndata['feat'] = feature
            G.update_all(fn.u_mul_v('feat', 'norm', 'm'), fn.sum('m', 'feat'))
            h = G.ndata.pop('feat')
            return self.linear(h)

# 6. Define a 2-layer GCN model
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.gcn1 = GCNLayer(34, 5)
        self.gcn2 = GCNLayer(5, 2)
    
    def forward(self, G, features):
        x = F.relu(self.gcn1(G, features))
        x = self.gcn2(G, x)
        return x

# Apply GCN model to our graph data
net = Net()
inputs = G.ndata['feat']
normalized_G = normalize_adjacency(G)
outputs = net(normalized_G, inputs)
```

ここでは、Graph ConvolutionはGCNLayerクラス内に定義されており、これが畳み込みを行っています。それぞれのノードの特徴は、そのノード自身とその近隣のノードからの情報に基づいて更新されます。これは、 `G.update_all()` 関数によって行われます。この `update_all()`関数は、すべてのエッジを基に、メッセージを近隣ノードから中心ノードへ送り、その後に集約(aggregation)を行います。そして、最後にその情報を用いて特徴を更新します。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。

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### **assistant**:

以下はGraph Convolution Network(GCN)の基本的な実装例です。ここではnumpyのみを用いた単純な例を示しています。

まず、Graph Convolution Networkは、畳み込みネットワークを用いてグラフ上のノード間の関係を抽出します。

```python
import numpy as np

# 各ノードの特徴を表す3次元のベクトル
features = np.array([[1,0,1],
                     [0,1,0],
                     [1,1,0]])

# 隣接行列
A = np.array([[0, 1, 0],
              [1, 0, 1],
              [0, 1, 0]])

# 隣接行列Aには自身へのリンクが含まれていないので、そのための行列Iを加える
I = np.array([[1, 0, 0],
              [0, 1, 0],
              [0, 0, 1]])
A_hat = A + I

# 特徴ベクトルに対する重み
W = np.array([[1, -1],
              [-1, 1],
              [1, -1]])

# 特徴ベクトルを更新
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

def gcn_layer(A_hat, D_hat, X, W):
    return relu(D_hat**-1 @ A_hat @ X @ W)

output = gcn_layer(A_hat, D_hat, features, W)
```

以下、詳細な説明です。

1. まず特徴ベクトルと隣接行列Aを用意します。特徴ベクトルは各ノードの特性を表しており、隣接行列はノード間の関連性（辺の有無）を表しています。

2. 隣接行列Aは元々自己ループ（自分自身へのリンク）を含んでいません。GCNでは自己ループも考慮しますので、単位行列Iを加えます。

3. 次に各特徴に対する重み行列Wを用意します。これは一般的なニューラルネットワークの重みと同様に、学習によって更新されるパラメータです。

4. そして、gcn_layerという関数を定義します。これがGCNにおける畳み込み（すなわち特徴ベクトルの更新）を行う部分です。具体的には、D^-1 @ A_hat @ X @ Wという計算を行っており、これによって隣接するノードの情報を考慮しながら特徴ベクトルを更新し、reluで非線形性を持たせています。

5. D^-1 @ A_hatは正規化の一部で、役割としては点ごとの特徴量が隣接エッジの数に影響されないようにしています。

注意点としては、このコードは非常に単純化されたもので、実際にはPyTorchやTensorFlowなどのライブラリを使って実装することが一般的です。また、パラメータの学習部分も省略しています。また、このコードでは扱っていませんが、グラフ構造の情報をよりよく学習するために、グラフの広がりを制御するためのパラメータが存在します。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。

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### **assistant**:

以下に、グラフ畳み込みネットワーク(Graph Convolution Network, GCN)の畳み込みの手法を説明する例を示します。

このコードでは、ノードの数が10個で、それぞれのノードが4次元の特徴ベクトルを持つグラフを考えます。畳み込み処理では、まずノード間の隣接行列を作成し、隣接ノードの特徴を取得します。加えて、ゼロパディングにより自ノード自身の情報も含めます。畳み込みは隣接行列と特徴ベクトルのドット積として実装しています。

```python
import numpy as np

# 10ノードについての4次元特徴ベクトル
features = np.array([i*np.ones(4) for i in range(10)])

# 10ノード間の隣接行列
A = np.array([[int(j in [i-1, i+1]) for j in range(10)] for i in range(10)])

# 隣接行列への自己ループの追加
A_hat = A + np.eye(10)

# GCNの畳み込み処理
def gcn_layer(A, X):
    return np.dot(A, X)

# 特徴ベクトルの更新
def update_features(A, X):
    return gcn_layer(A, X)

# 特徴ベクトルの更新
new_features = update_features(A_hat, features)
```

このコードを実行すると、ノードの特徴ベクトルがGCNにより更新されます。GCNの主要な考え方は、ノードの新しい特徴は、自身と隣接するノードの特徴の重み付き和である、という点です。その重みは隣接行列により決定され、隣接行列はノード間の接続パターンを表しています。

ただし、注意しなければならないのは、このコードがとてもシンプルな例であり、数多くの重要な要素、例えば重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化などは省略しています。また、これは最も基本的なバージョンのGCNであり、実際の応用では、より高度なテクニックや別のタイプのグラフニューラルネットワークが使われることがあります。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。

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### **assistant**:

以下に、numpyを用いてGraph Convolution Network(GCN)における畳み込みの流れを詳細に示すコードを記載します。ここでは、隣接行列とノードの特徴行列の作成から、特徴ベクトルの正規化、活性化関数の適用、そして重みの更新までを含みます。

```python
import numpy as np

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# ノードの数と特徴の次元数を設定
num_nodes = 10
num_features = 2

# ノードの特徴ベクトルをランダムに初期化
features = np.random.randn(num_nodes, num_features)

# 隣接行列をランダムに初期化
adj_matrix = np.random.randint(0, 2, size=(num_nodes, num_nodes))

# 隣接行列に対角要素（自己ループ）を追加
adj_matrix += np.eye(num_nodes)

# 度数行列の作成と正規化ついて
deg = np.sum(adj_matrix, axis=1)
D_half_inv = np.diag(deg**-0.5)
adj_matrix_norm = D_half_inv @ adj_matrix @ D_half_inv

# 重み行列をランダムに初期化
weights = np.random.randn(num_features, num_nodes)

# GCNの畳み込み層：特徴行列と正規化した隣接行列の乗算、さらに重み行列との乗算
hidden = adj_matrix_norm @ features @ weights

# 活性化関数を適用
activation = relu(hidden)
```

コードの手順は以下のとおりです：

1. ReLU（活性化関数）を定義します。これにより、特徴ベクトルに非線形性が導入されます。

2. ノードの特徴ベクトルと隣接行列を初期化します。

3. 隣接行列に対角要素を加えます。これにより、自己ループ（ノードが自身にリンクすること）が可能になります。

4. 度数行列（各ノードが接続しているエッジの数を表現する行列）を作成し、それを用いて隣接行列を正規化します。これにより、各ノードが持つエッジの数によるバイアスを反映します。

5. 重み行列を初期化します。この重み行列は、各エポック（データ通過回数）ごとに学習により更新されます。

6. GCNの畳み込み層を計算します。これは正規化した隣接行列と特徴行列と重み行列の行列積です。

7. 最後に、活性化関数を適用します。

このコードの重要な点は、GCNの畳み込みが特徴行列、隣接行列、そして重み行列の行列積として表現されていることです。これにより、各ノードの情報はその周囲のノード（自身も含む）からの情報に更新されます。

ただし、このコードは単純化されており、実際の学習では隣接行列やノードの特徴、重み行列はデータから取得するため、必要に応じて適応させる必要があります。また、重みの学習部分は省略しています。実際には、誤差逆伝播や最適化手法（例えばSGDやAdamなど）を用いて重みを更新することになります。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。

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### **assistant**:

まず、グラフ畳み込みネットワーク(Graph Convolution Network)の畳み込みを理解するための単純な実装をnumpyのみで書くことは可能です。しかし、要求されている"データから取得"するという表現が、具体的にどのようなプロセスを指すのか明確でないため、以下の例ではランダムなデータを生成しています。

以下のコードは、10ノードのグラフを取り扱っています。それぞれのノードは4次元の特徴を持ち、隣接行列はランダムに生成します。特徴ベクトルは正規化され、ReLU活性化関数が適用されます。さらに、重みの学習もシミュレートしています。

```python
import numpy as np

# ReLU活性化関数の定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# ノード数と特徴量の次元数
n_nodes = 10
n_features = 4

# 各ノードの特徴量行列を初期化
features = np.random.rand(n_nodes, n_features)

# グラフの隣接行列をランダムに生成
adj_matrix = np.random.randint(0, 2, size=(n_nodes, n_nodes))

# 隣接行列に対角要素（自己ループ）を追加
adj_matrix = adj_matrix + np.eye(n_nodes)

# 特徴行列の正規化
features_norm = features / np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# 重み行列を初期化（ノードの個々の特徴に対して）
weights = np.random.rand(n_features, n_features)

# 学習率を設定
learning_rate = 0.01

# 損失を保持するためのリストを初期化
losses = []

# 疑似的なラベルデータを生成
labels = np.random.rand(n_nodes, n_features)

# 100エポックでモデルを訓練
for epoch in range(100):
    # GCNの層を通じて特徴を伝播
    hidden = relu(adj_matrix @ features_norm @ weights)

    # クロスエントロピー損失を計算
    loss = np.sum((hidden - labels)**2)

    # 勾配を計算（ここでは2*(hidden - labels)が勾配になる）
    grad = 2 * (hidden - labels)

    # 重みを更新
    weights -= learning_rate
```

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。

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### **assistant**:

まず、具体的な学習データやネットワーク構造については仮定しない状態で、データから隣接行列やノードの特徴を取得し、その上でGCNの処理を行う基本的なコードを示します。

```python
import numpy as np

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# 以下は仮のデータセットからの読み込みとする
# graphはネットワークの隣接情報（エッジのリストなど）を格納したデータ構造
graph = load_graph_data()

# ノード数
num_nodes = len(graph.nodes)

# 各ノードの特徴ベクトル（仮のデータから読み込む）
features = np.array([node.feature for node in graph.nodes])

# 隣接行列を作成（未接続部分は0、接続があれば1、自己接続（自己ループ）も1とする）
adj_matrix = np.zeros((num_nodes, num_nodes))
for edge in graph.edges:
    adj_matrix[edge.node1.id, edge.node2.id] = 1
    adj_matrix[edge.node2.id, edge.node1.id] = 1
    adj_matrix[edge.node1.id, edge.node1.id] = 1
    adj_matrix[edge.node2.id, edge.node2.id] = 1

# 特徴ベクトルの正規化
features /= np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# 重み行列をランダムに初期化
weights = np.random.randn(num_nodes, num_nodes)

# 学習率の設定
learning_rate = 0.01

# ラベルデータ（仮のデータから読み込む）
labels = np.array([node.label for node in graph.nodes])

# ロスの記録を格納するリスト
losses = []

# 100エポックの訓練
for epoch in range(100):
    # 特徴ベクトルと隣接行列と重み行列のドット積から値を得る
    propagated = adj_matrix @ features
    output = relu(propagated @ weights)
    
    # クロスエントロピー損失を計算し記録
    loss = np.mean((output - labels)**2)
    losses.append(loss)
    
    # 勾配を計算し、重みを更新
    grad = (2 * (output - labels) * propagated)
    weights -= learning_rate * grad

```

このコードの処理の流れは以下の通りです：

1. 入力としてネットワークの構造を表すグラフデータを読み込みます。

2. 各ノードの特徴ベクトルを読み込み、L2ノルムで正規化します。

3. 隣接行列を作成します。ここでは自身に対する接続（自己ループ）も考慮しています。

4. 重み行列を初期化し、学習率を設定します。

5. 特徴ベクトルと隣接行列と重み行列の行列積を計算し、その結果にReLU活性化関数を適用します。

6. 計算結果とラベル値との間でクロスエントロピー損失を計算し、その損失を記録します。

7. 損失に対する勾配を計算し、その勾配を用いて重み行列を更新します。

上記コードは非常に簡単な例であり、実際の問題ではより複雑なネットワーク構造、特徴量、学習スキームなどを扱う可能性があります。また誤差逆伝播の計算やミニバッチ学習など、機械学習特有のテクニックも適用されることがあります。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはスケールフリーネットワークに近い性質のものを自作して用いてください。

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### **assistant**:

以下に、numpyのみを使用してGraph Convolution Network (GCN)における処理を実装したコードを示します。ここでは、スケールフリーネットワークに近い性質のグラフデータを作成します。隣接行列とノードの特徴行列の作成から、特徴ベクトルの正規化、活性化関数の適用、そして重みの学習までを含みます。

```python
import numpy as np

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# ノードの数と特徴の次元数を設定
num_nodes = 10
num_features = 5

# ノードの特徴ベクトルをランダムに初期化
features = np.random.randn(num_nodes, num_features)

# スケールフリーネットワークに近い隣接行列を作成
degrees = np.random.pareto(3.0, num_nodes)  # パレート分布はスケールフリーネットワークの度数分布に近い
degrees = np.clip(degrees, 1, num_nodes-1).astype(int)  # ノード数を超える結果や0の結果を防ぐ

adj_matrix = np.zeros((num_nodes, num_nodes))
for i in range(num_nodes):
    indices = np.random.choice(np.delete(np.arange(num_nodes), i), degrees[i], replace=False)
    adj_matrix[i, indices] = 1

adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(float)  # 無向グラフとする

# 隣接行列に対角要素（自己ループ）を追加
adj_matrix += np.eye(num_nodes)

# 特徴ベクトルの正規化
features /= np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# 隣接行列の正規化
D = np.diag(np.power(np.sum(adj_matrix, axis=1), -0.5))
adj_matrix = D @ adj_matrix @ D

# 重み行列をランダムに初期化
weights = np.random.randn(num_features, num_features)

# 学習率とエポック数を設定
learning_rate = 0.01
num_epochs = 100

# 損失関数（平均二乗誤差）の履歴
losses = []

# ラベル（出力と比較する目標値）を設定
# ここではランダムベクトルを目標とします
labels = np.random.randn(num_nodes, num_features)

for epoch in range(num_epochs):
    # 初めに特徴ベクトルと正規化した隣接行列の乗算、さらに重み行列との乗算を行って伝播を行います
    hidden = adj_matrix @ features @ weights

    # その結果に活性化関数ReLUを適用します
    outputs = relu(hidden)

    # 出力とラベルとの間の平均二乗誤差を計算します
    loss = np.mean((outputs - labels) ** 2)
    losses.append(loss)

    # 逆伝播により損失の勾配を計算し、重み行列を更新します
    grad_outputs = 2.0 * (outputs - labels) / num_nodes

    # ReLUの逆伝播
    grad_hidden = grad_outputs * (hidden > 0).astype(float)

    # 入力との積の逆伝播
    grad_weights = features.T @ adj_matrix.T @ grad_hidden
    grad_features = grad_hidden @ weights.T

    # 更新
    weights -= learning_rate * grad_weights
    features -= learning_rate * grad_features
```

コードは以下の流れで進行します。

1. まず、パレート分布を用いてスケールフリーネットワークに近い隣接行列を生成します。
2. 次に、各ノードのランダムな特徴ベクトルを作成し、その長さを1に正規化します。
3. 隣接行列も同様に正規化します。
4. 重み行列をランダムに初期化し、学習率とエポック数を設定します。
5. ループ内でGraph Convolutionを実行し、損失関数の値を計算します。
6. そして、逆伝播法を用いて勾配を計算し、その勾配から重み行列を更新します。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはランダムネットワークを自作して用いてください。

---

### **assistant**:

以下のコードは、numpyを用いたGraph Convolution Network(GCN)のシンプルな実装です。ランダムなネットワークを作成し、その上で畳み込み、活性化、重みの更新を行っています。

```python
import numpy as np

# node_num : ノード数
# feature_dim : 特徴量の次元数
node_num = 10
feature_dim = 5

# 隣接行列と特徴量をランダムに設定
# np.random.randint(2, size=(node_num,node_num))は0または1の値の行列を生成、対称行列にするために最後に転置してORをとる
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num,node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)
np.fill_diagonal(adj_matrix, 0)  # 対角成分は0に 

features = np.random.rand(node_num, feature_dim)  # ランダムに特徴量を設定
features /= np.linalg.norm(features, axis=-1, keepdims=True)  # 特徴量を正規化

weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)  # 重みもランダムに設定

def relu(x):  # ReLU関数
    return np.maximum(x, 0)

lr = 0.01  # 学習率
losses = []  # 損失記録用
for _ in range(300):  # 300エポック学習
    t = adj_matrix @ features @ weights  # 特徴量と重みの積を隣接行列で畳み込む
    y = relu(t)  # ReLU適用
    loss = np.square(y - features).mean()  # 損失は二乗誤差
    losses.append(loss)

    # 重みの更新
    dy = 2.0 * (y - features) / node_num
    dt = (t > 0).astype(float) * dy  # ReLUの逆伝播
    dfeatures = dt @ weights.T
    dweights = features.T @ (adj_matrix * dt)
    weights -= lr * dweights  # 重みを更新
    features -= lr * dfeatures  # 特徴量を更新
```

このコードでは以下のように処理がなされています：

1. ランダムに隣接行列とノードの特徴量を生成します。隣接行列は対称行列となるようにし、特徴量は正規化します。
2. 隣接行列と特徴量と重みを用いて，順伝播＆活性化（graph convolution）を行います。
3. 求めた特徴ベクトルと元の特徴ベクトルの二乗誤差（MSE loss）を計算します。
4. 誤差を元に特徴ベクトルと重みを更新します。この際、活性化関数ReLUの逆伝播も考慮します。

このコードは非常に簡略化されたもので、一般的なGCNでは隣接行列の正規化や学習データとしてのノード特徴・エッジ特徴の使用、多層化、バッチ処理などが考えられます。

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### **user**:

次のエラーを修正した全コードを書いてください。

ValueError                                Traceback (most recent call last)
Cell In[20], line 34
     32 dt = (t > 0).astype(float) * dy  # ReLUの逆伝播
     33 dfeatures = dt @ weights.T
---> 34 dweights = features.T @ (adj_matrix * dt)
     35 weights -= lr * dweights  # 重みを更新
     36 features -= lr * dfeatures  # 特徴量を更新

ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (10,10) (10,5) 

---

### **assistant**:

ここでエラーが起こっていますね。これは、`adj_matrix`と`dt`の形状(shape)が、行列の要素ごとの演算（要素積）にそぐわないからです。ちょっとだけコードの修正が必要です。

以下に修正したコードを示します：

```python
import numpy as np

node_num = 10
feature_dim = 5
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)
np.fill_diagonal(adj_matrix, 0) 

features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features /= np.linalg.norm(features, axis=-1, keepdims=True)

weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

def relu(x):
    return np.maximum(x, 0)

lr = 0.01
losses = []
for _ in range(300):
    t = adj_matrix @ features @ weights
    y = relu(t)
    loss = np.square(y - features).mean()
    losses.append(loss)

    dy = 2.0 * (y - features) / node_num
    dt = (t > 0).astype(float) * dy
    dfeatures = dt @ weights.T
    
    # 行列演算なので積の次元を合わせるため、Tensor積を使う
    adj_dt = np.einsum('ij,ik->ijk', adj_matrix, dt)
    dweights = np.einsum('ijk,jk->ki', adj_dt, features)  # einsumを使うと任意の次元に対応した積和(ここではきちんと行列としての積)が計算できる
    
    weights -= lr * dweights
    features -= lr * dfeatures
```
更新式`dweights = np.einsum('ijk,jk->ki', adj_dt, features)`は、「`ijk`次元テンソル（この場合は`adj_dt`）の`ijk`成分と`jk`次元テンソル（この場合は`features`）の`jk`成分を掛け合わせ、`ij`成分について合計し、その結果を`ki`次元テンソルとする」という演算を表しています。

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### **user**:

次のエラーを修正した全コードを書いてください。その際に、コード中の説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。

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ValueError                                Traceback (most recent call last)
Cell In[21], line 33
     30 adj_dt = np.einsum('ij,ik->ijk', adj_matrix, dt)
     31 dweights = np.einsum('ijk,jk->ki', adj_dt, features)  # einsumを使うと任意の次元に対応した積和(ここではきちんと行列としての積)が計算できる
---> 33 weights -= lr * dweights
     34 features -= lr * dfeatures

ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (5,5) (5,10) (5,5) 

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### **assistant**:

エラーメッセージから、`weights`と`dweights`が行列の形状（shape）が不一致によりエラーが起こっていることがわかります。重み更新の計算式に問題があるようです。これは、順伝播をした際の特徴量（`features`）と、特徴量に対する勾配（`dt`）��かけることで計算するための重みの勾配(`dweights`)が、重み(`weights`)と形状が不一致になってしまうことが原因です。

そのため、以下のような修正を行います：

```python
dweights = np.einsum('kj,ji->ki', dt, adj_matrix @ features)

weights -= lr * dweights
```

これで計算式が正しくなりましょう。全コードは以下のようになります：

```python
import numpy as np

node_num = 10
feature_dim = 5
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)
np.fill_diagonal(adj_matrix, 0) 

features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features /= np.linalg.norm(features, axis=-1, keepdims=True)

weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

def relu(x):
    return np.maximum(x, 0)

lr = 0.01
losses = []
for _ in range(300):
    t = adj_matrix @ features @ weights
    y = relu(t)
    loss = np.square(y - features).mean()
    losses.append(loss)

    dy = 2.0 * (y - features) / node_num
    dt = (t > 0).astype(float) * dy
    dfeatures = dt @ weights.T
    
    # 重みの更新式を修正
    dweights = np.einsum('kj,ji->ki', dt, adj_matrix @ features)
    
    weights -= lr * dweights
    features -= lr * dfeatures
```
あるノードの特徴量を、隣接するノードの特徴量の重み付き和で表現しようとするモデルで、その重みを学習します。そのため、重みの更新の際には、その各ノードがどの程度影響を受けるか（勾配`dt`）と、各ノードがどの程度影響を与えるか（特徴量`features`）の両方を考慮し、その影響の大きさを重みに反映しています。ここで、「どの程度影響を与えるか」の部分を他のノードに伝播するために、隣接行列`adj_matrix`も使用しています。


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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはランダムネットワークを自作して用いてください。

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### **assistant**:

Graph Convolutional Networks（GCN）は、ノード間の接続関係と各ノードの特徴量を用いるため、NPやGraph Neural Networksの一種となります。以下のPythonコードは、GCNの基本的な部分を抽出したもので、手動でした学習および畳み込み操作を行います。

```python
import numpy as np

node_num = 10
feature_dim = 5

# 各ノードの特徴量をランダムに設定し、正規化する
features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features /= np.linalg.norm(features, axis=-1, keepdims=True)

# 隣接行列をランダムに設定する
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))

# 重みもランダムに設定する
weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

# 学習率を設定する
lr = 0.01

# 活性化関数（ReLU）を定義する
def relu(x):
    return np.maximum(x, 0)

# 300エポックで学習する
for _ in range(300):
    # 畳み込み操作を行う（これがGCNの鍵となる部分）
    t = adj_matrix @ features @ weights
    
    # 活性化関数を適用する
    y = relu(t)
    
    # 損失（二乗誤差）を計算する
    loss = np.square(y - features).mean()

    # 勾配を計算する（バックプロパゲーション）
    dy = 2.0 * (y - features)
    dt = (t > 0).astype(float) * dy  # ReLUの逆伝播
    dfeatures = dt @ weights.T
    dweights = features.T @ dt

    # 重みと特徴量を更新する
    weights -= lr * dweights
    features -= lr * dfeatures
```

このコードの核心部分は`adj_matrix @ features @ weights`で、これにより各ノードの特徴量(features)を隣接行列(adj_matrix)と重み(weights)を用いて更新します。隣接行列は各ノード間の接続状態を表しており、特徴量と重みの積に対して畳み込みを行います。これにより、各ノードの新たな特徴量はそのノード自身の特徴量だけでなく、隣接するノードの特徴量にも影響を受けることになります。

この問題では活性化関数としてReLUを使用しています。ReLUは非線形活性化関数の一つで、入力が0以下のときは0を出力し、入力が0より大きいときはそのままの値を出力する関数です。GCNでもこれがよく使われています。

コードの最後の部分では、計算された損失（二乗誤差）に基づき、重み(weights)と特徴量(features)を更新しており、これを300エポック繰り返します。今回のコードでは損失の値を履歴に保存はしていませんが、通常はこの値を保存して学習の経過を確認します。

以上、このコードはGCNの基本的なメカニズムを示していますが、実際の応用では更に様々な工夫や拡張が行われます。また、通常はPyTorchやTensorFlowのような深層学習ライブラリを用いて実装されます。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはランダムネットワークを自作して用いてください。

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### **assistant**:

Graph Convolution Network (GCN)の一つの基本的なアイデアは、各ノードの情報をその近傍ノードの情報で更新するというものです。その操作がグラフの畳み込みです。以下にその一連の操作を手作業で行うPythonコードを示します。

```python
import numpy as np

# ノードの数と特徴量の次元を指定
node_num = 10
feature_dim = 5

# 各ノードの特徴量をランダムに生成し、L2ノルムで正規化
features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features = features / np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# ランダムな隣接行列を生成
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)  # 隣接行列は対称性があるので論理和を取ったものを新たな隣接行列とする
np.fill_diagonal(adj_matrix, 0)  # 自分自身へのエッジはないので対角成分は0にする

# ランダムな重み行列を生成
weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

# 学習率の定義
lr = 0.01

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# 損失の履歴を保存するためのリスト
losses = []

# 300エポックの学習
for epoch in range(300):
    # 畳み込み操作: 隣接行列と特徴行列と重み行列の積として定義する
    aggr = adj_matrix @ features  # まず各ノードの近傍の特徴を集約する
    prop = aggr @ weights  # 集約したものに重みを適用
    hidden = relu(prop)  # 活性化関数を適用

    # 損失の計算（ここではMSEを使用）
    loss = np.mean((hidden - features) ** 2)
    losses.append(loss)

    # 逆伝播を用いて勾配を計算
    grad_hidden = 2.0 * (hidden - features) / node_num
    grad_prop = grad_hidden * (prop > 0).astype(float)  # ReLUの逆伝播
    grad_weights = aggr.T @ grad_prop
    grad_aggr = grad_prop @ weights.T
    grad_features = adj_matrix.T @ grad_aggr  # 集約の逆操作として隣接行列の転置との積を考える

    # 勾配降下法によるパラメータ更新
    weights -= lr * grad_weights
    features -= lr * grad_features
```

以上がグラフ畳み込みとその学習のためのPythonコードです。このコードはシンプルなモデルであり、実際の応用ではさらに多くの層や機能が加えられます。注意していただきたいのは、ここでは実装の簡略化のために特殊な役割を持つ自己ループエッジや隣接行列の規格化などは実施していません。より実践的な実装では、これらの要素はしっかりと考慮されるべきです。

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### **user**:

上記のコードで計算された結果をどう使えばよいか教えてください。

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### **assistant**:

このコードでは、Graph Convolutional Network (GCN) を用いてノードの特徴量から新たな埋め込み（モデルによって学習された新たな特徴表現）を生成しています。従って、最後のエポックで生成された `features` が各ノードの新たな特徴量となります。

この結果はノードのクラスタリング、ノード分類、リンク予測など、複数のグラフ解析タスクに使えます。例えば、ノード分類タスクではノードの新たな特徴量を入力とし、そのノードがどのクラスに属するかを予測する分類器を訓練します。クラスタリングでは近い特徴量を持つノードが同じクラスタに属すと見なすことで、ネットワークのクラスタ構造を解析すます。リンク予測では２つのノードの特徴量を使ってそのノード間にエッジが存在しうるかどうかを予測します。

また、通常は実際の解析タスクを解くためにさらに学習を行いますが、このコードでは特徴量の学習のみが行われている点に注意してください。つまり、`features` をそのまま使うのではなく、さらに適切な機械学習モデルを訓練するための入力として使うことが多いでしょう。


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### **user**:

上記のコードでweightsは何を表していますか？

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### **assistant**:

`weights`は畳み込み（Convolution）におけるウェイト（重み）行列を表しています。

具体的には、この`weights`行列は、ノードの特徴ベクトルに対して局所的な線形変換（すなわち畳み込み）を適用する役割を持っています。この畳み込みによって、ノードの隣接ノードの特徴量が集約され、そこから新しいノードの特徴量が生成されます。

なお、この`weights`は学習可能なパラメータであり、すなわち学習プロセス中にその値が順次更新され、最適化されます。学習の目標は、元のノードの特徴ベクトルと新たに生成されたノードの特徴ベクトルとの間の二乗誤差を最小化することです。

通常、このような畳み込みウェイトはフィルタやカーネルとも呼ばれ、画像の畳み込み（Convolutional）ネットワークや言語モデルのTransformerなど、多くのニューラルネットワークモデルでも同様のメカニズムで使用されています。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはランダムネットワークを自作して用いてください。自己ループエッジや隣接行列の規格化も省略せずに実装してください。

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### **assistant**:

GCN(Graph Convolution Networks)をPythonで実装するコードについてですが、特に自己ループエッジや隣接行列の規格化などの要素も考慮に入れると以下のようなコードになります。

まず、自己ループエッジを追加するために隣接行列の対角要素を全て1に設定し、隣接行列の規格化を行います。そしてその後、通常のGCNの学習を実行します。

以下に該当の実装を記載します。

```python
import numpy as np

# ノードの数と特徴量の次元を指定
node_num = 10
feature_dim = 5

# 各ノードの特徴量をランダムに生成し、L2ノルムで正規化
features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features = features / np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# ランダムな隣接行列を生成
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)  # 隣接行列は一般に対称なので論理和を取る
np.fill_diagonal(adj_matrix, 1)  # 自己ループを追加

# 学習率の定義
lr = 0.01

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# 隣接行列の規格化
deg_matrix = np.diag(np.sum(adj_matrix, axis=1))
sqrt_deg_matrix = np.diag(1.0 / np.sqrt(np.sum(adj_matrix, axis=1)))
norm_adj_matrix = sqrt_deg_matrix @ adj_matrix @ sqrt_deg_matrix

# ランダムな重み行列を生成
weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

# 損失の履歴を保存するためのリスト
losses = []

# 300エポックの学習
for epoch in range(300):

    # 畳み込み操作: 規格化した隣接行列と特徴行列、重み行列の積として表される
    aggr = norm_adj_matrix @ features  # まず各ノードの近傍の特徴を集約する
    prop = aggr @ weights  # 集約したものに重みを適用
    hidden = relu(prop)  # 活性化関数を適用

    # 損失の計算（ここではMSEを使用）
    loss = np.mean((hidden - features) ** 2)
    losses.append(loss)

    # 逆伝播を用いて勾配を計算
    grad_hidden = 2.0 * (hidden - features) / node_num
    grad_prop = grad_hidden * (prop > 0).astype(float)  # ReLUの逆伝播
    grad_weights = aggr.T @ grad_prop
    grad_aggr = grad_prop @ weights.T
    grad_features = norm_adj_matrix.T @ grad_aggr  # 規格化行列の逆操作と考える

    # 勾配降下法によるパラメータ更新
    weights -= lr * grad_weights
    features -= lr * grad_features
```

以上が自己ループエッジや隣接行列の規格化を考慮したPythonのコードです。実際の応用ではさらに多くのレイヤーや関数、最適化手法を適用したり、特定のタスクに依存する特徴などをモデルに組み込んだりします。しかし、上記のコードはグラフ畳み込みとその学習のための基本的なメカニズムを示しています。

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### **user**:

graph convolution network における畳み込みがどのように行われているかが理解できるようなPythonコードを、PyTorchやTensorflowを使わずnumpyを使って書いてください。また、コード中にその説明を日本語でできるだけ詳しく書いてください。なお、ノードの数は10個程度にしてください。重みの学習、活性化関数、特徴ベクトルの正規化も省略せずに書いてください。隣接行列やノードの特徴、重み行列をデータから取得する部分も省略せずに書いてください。データはランダムネットワークを自作して用いてください。自己ループエッジや隣接行列の規格化も省略せずに実装してください。最後に損失の履歴を可視化してください。

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### **assistant**:

Pythonとnumpyを用いたGraph Convolutional Networks (GCN)の実装、および損失の履歴の可視化について説明します。

まず、以下のコードはnumpyを用いてGCNを実装しています。各ノードの特徴ベクトル、隣接行列、および重み行列はランダムな値から生成されます。また、自己ループエッジや隣接行列の規格化も考慮しています。

さらに、このコードでは畳み込み（つまり、各ノードの情報をその近傍ノードの情報で更新）、特徴ベクトルの正規化、重みの学習、活性化関数（ここではReLUを使用）が行われます。

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# ノードの数と特徴量の次元を指定
node_num = 10
feature_dim = 5

# 各ノードの特徴量をランダムに生成し、L2ノルムで正規化
features = np.random.rand(node_num, feature_dim)
features = features / np.linalg.norm(features, axis=1, keepdims=True)

# ランダムな隣接行列を生成
adj_matrix = np.random.randint(2, size=(node_num, node_num))
adj_matrix = np.logical_or(adj_matrix, adj_matrix.T).astype(int)  # 隣接行列は一般に対称なので論理和を取る
np.fill_diagonal(adj_matrix, 1)  # 自己ループを追加

# 学習率の定義
lr = 0.01

# 活性化関数としてReLUを定義
def relu(x):
    return np.maximum(0, x)

# 隣接行列の規格化
deg_matrix = np.diag(np.sum(adj_matrix, axis=1))
sqrt_deg_matrix = np.diag(1.0 / np.sqrt(np.sum(adj_matrix, axis=1)))
norm_adj_matrix = sqrt_deg_matrix @ adj_matrix @ sqrt_deg_matrix

# ランダムな重み行列を生成
weights = np.random.rand(feature_dim, feature_dim)

# 損失の履歴を保存するためのリスト
losses = []

# 300エポックの学習
for epoch in range(300):

    # 畳み込み操作: 規格化した隣接行列と特徴行列、重み行列の積として表される
    aggr = norm_adj_matrix @ features  # まず各ノードの近傍の特徴を集約する
    prop = aggr @ weights  # 集約したものに重みを適用し、新しい特徴を生成
    hidden = relu(prop)  # 活性化関数を適用

    # 損失の計算（ここではMSEを使用）
    loss = np.mean((hidden - features) ** 2)
    losses.append(loss)

    # 逆伝播を用いて勾配を計算
    grad_hidden = 2.0 * (hidden - features) / node_num
    grad_prop = grad_hidden * (prop > 0).astype(float)  # ReLUの逆伝播
    grad_weights = aggr.T @ grad_prop
    grad_aggr = grad_prop @ weights.T
    grad_features = norm_adj_matrix.T @ grad_aggr  # 規格化行列の逆操作と考える

    # 勾配降下法によるパラメータ更新
    weights -= lr * grad_weights
    features -= lr * grad_features

# 損失の履歴をプロット
plt.plot(losses)
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.show()
```

以上のコードはそれぞれのエポックで生成される損失を表示しますので、モデルが訓練中にどのくらい損失が減少するかを観察できます。

![output_24_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/30d06ff5-a63b-be43-d296-625abab0e389.png)

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### **user**:

ありがとうございました！GCNについて理解が深まりました！

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### **assistant**:

どういたしまして！ご質問いただきありがとうございました。GCN（Graph Convolutional Networks）について理解が深まったとのことで、とても嬉しいです。

他にも何か疑問点や質問がありましたら、いつでもどういった問いでも結構なのでお気軽にお尋ねください。データ科学や機械学習、その他のトピックについてもお手伝いできることがたくさんありますので、何でもお聞きくださいね！

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### **user**:

今回やったことのまとめを書いてください。

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### **assistant**:

もちろんです、今回行ったことについて簡潔にまとめさせていただきます。

1. まず最初に、Graph Convolutional Network (GCN) の基本的な概念について説明しました。GCNはグラフ理論と深層学習を組み合わせた手法で、各ノードの情報とその近傍との関連性を表現することができます。

2. 次にPythonとnumpyを用いて、GCNを解釈しやすいように簡素化したモデルの実装を行いました。これにはノードの特徴ベクトル、隣接行列、重み行列の生成、各ノードの特徴の更新（畳み込み）、重みの更新（勾配降下法による学習）、活性化関数の適用などが含まれています。

3. このモデルの実装では自己ループエッジ（自分自身へのエッジ）や隣接行列の規格化も考慮し、特徴ベクトルはL2ノルムで正規化しました。また、活性化関数としてReLUを使用しました。

4. 最終的には、学習過程の損失の推移をプロットし、モデルの学習が正常に進行していたことを確認しました。

以上が今回行った内容の概要です。これにより、GCNの基本的な理解と、その簡単な実装方法について理解いただけたかと思います。

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### **user**:

最後に、何か関係のある面白いギャグをお願いします！

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### **assistant**:

ユーモラスなジョークをお楽しみいただくために、データサイエンスや機械学習に関するものを選んでみました。

「なぜニューラルネットワークがパーティーを開いたら成功しないと思いますか？」
「予測が常に遅れるからです！」

また、グラフ理論に関するジョークを一つお楽しみください。

「なぜコンピュータサイエンティストは公園で迷子になるのでしょう？」
「毎回左から右に行く木がないからです！」

これらのジョークは、ニューラルネットワークの予測機能の遅延や、グラフ理論の頂点（ノード）とエッジのユーモラスな描写を元にしています。笑顔になっていただければ幸いです！

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