We investigate the representation power of graph neural networks in the semisupervised node classification task under heterophily or low homophily, i.e., in networks where connected nodes may have different class labels and dissimilar features. Many popular GNNs fail to generalize to this setting, and are even outperformed by models that ignore the graph structure (e.g., multilayer perceptrons). Motivated by this limitation, we identify a set of key designs-ego-and neighbor-embedding separation, higher-order neighborhoods, and combination of intermediate representations-that boost learning from the graph structure under heterophily. We combine them into a graph neural network, H 2 GCN, which we use as the base method to empirically evaluate the effectiveness of the identified designs. Going beyond the traditional benchmarks with strong homophily, our empirical analysis shows that the identified designs increase the accuracy of GNNs by up to 40% and 27% over models without them on synthetic and real networks with heterophily, respectively, and yield competitive performance under homophily.

我们通过形式化节点标签的异质性（即连接的节点倾向于具有不同的标签）和GNN与对抗性攻击的稳健性来弥合图形神经网络（GNN）的两个研究方向。我们的理论和经验分析表明，对于同质图数据，有影响力的结构攻击始终导致同质性降低，而对于异性图数据，同质级别的变化取决于节点度。这些见解对防御对现实图形的攻击具有实际含义：我们推断出分离自我和邻居限制的汇总器，这是一种已确定的设计原则，可以显着改善异性图数据的预测，还可以为增强的鲁棒性提供稳健性gnns。我们的综合实验表明，与表现最好的未接种模型相比，GNN仅采用这种设计可以提高经验和可证明的鲁棒性。此外，与表现最佳的疫苗接种模型相比，这种设计与对抗性攻击的明确防御机制相结合，可提高稳健性，攻击性能在攻击下提高18.33％。

图表学习目的旨在将节点内容与图形结构集成以学习节点/图表示。然而，发现许多现有的图形学习方法在具有高异性级别的数据上不能很好地工作，这是不同类标签之间很大比例的边缘。解决这个问题的最新努力集中在改善消息传递机制上。但是，尚不清楚异质性是否确实会损害图神经网络（GNNS）的性能。关键是要展现一个节点与其直接邻居之间的关系，例如它们是异性还是同质性？从这个角度来看，我们在这里研究了杂质表示在披露连接节点之间的关系之前/之后的杂音表示的作用。特别是，我们提出了一个端到端框架，该框架既学习边缘的类型（即异性/同质性），并利用边缘类型的信息来提高图形神经网络的表现力。我们以两种不同的方式实施此框架。具体而言，为了避免通过异质边缘传递的消息，我们可以通过删除边缘分类器鉴定的异性边缘来优化图形结构。另外，可以利用有关异性邻居的存在的信息进行特征学习，因此，设计了一种混合消息传递方法来汇总同质性邻居，并根据边缘分类使异性邻居多样化。广泛的实验表明，在整个同质级别的多个数据集上，通过在多个数据集上提出的框架对GNN的绩效提高了显着提高。

消息传递已作为设计图形神经网络（GNN）的有效工具的发展。但是，消息传递的大多数现有方法简单地简单或平均所有相邻的功能更新节点表示。它们受到两个问题的限制，即（i）缺乏可解释性来识别对GNN的预测重要的节点特征，以及（ii）特征过度混合，导致捕获长期依赖和无能为力的过度平滑问题在异质或低同质的下方处理图。在本文中，我们提出了一个节点级胶囊图神经网络（NCGNN），以通过改进的消息传递方案来解决这些问题。具体而言，NCGNN表示节点为节点级胶囊组，其中每个胶囊都提取其相应节点的独特特征。对于每个节点级胶囊，开发了一个新颖的动态路由过程，以适应适当的胶囊，以从设计的图形滤波器确定的子图中聚集。 NCGNN聚集仅有利的胶囊并限制无关的消息，以避免交互节点的过度混合特征。因此，它可以缓解过度平滑的问题，并通过同粒或异质的图表学习有效的节点表示。此外，我们提出的消息传递方案本质上是可解释的，并免于复杂的事后解释，因为图形过滤器和动态路由过程确定了节点特征的子集，这对于从提取的子分类中的模型预测最为重要。关于合成和现实图形的广泛实验表明，NCGNN可以很好地解决过度光滑的问题，并为半监视的节点分类产生更好的节点表示。它的表现优于同质和异质的艺术状态。

图形神经网络（GNNS）在各种基于图形的应用中显示了优势。大多数现有的GNNS假设图形结构的强大奇妙并应用邻居的置换不变本地聚合以学习每个节点的表示。然而，它们未能概括到异质图，其中大多数相邻节点具有不同的标签或特征，并且相关节点远处。最近的几项研究通过组合中央节点的隐藏表示（即，基于多跳的方法）的多个跳数来解决这个问题，或者基于注意力分数对相邻节点进行排序（即，基于排名的方法）来解决这个问题。结果，这些方法具有一些明显的限制。一方面，基于多跳的方法没有明确区分相关节点的大量多跳社区，导致严重的过平滑问题。另一方面，基于排名的模型不与结束任务进行联合优化节点排名，并导致次优溶液。在这项工作中，我们呈现图表指针神经网络（GPNN）来解决上述挑战。我们利用指针网络从大量的多跳邻域选择最相关的节点，这根据与中央节点的关系来构造有序序列。然后应用1D卷积以从节点序列中提取高级功能。 GPNN中的基于指针网络的Ranker是以端到端的方式与其他部件进行联合优化的。在具有异质图的六个公共节点分类数据集上进行了广泛的实验。结果表明，GPNN显着提高了最先进方法的分类性能。此外，分析还揭示了拟议的GPNN在过滤出无关邻居并减少过平滑的特权。

The core operation of current Graph Neural Networks (GNNs) is the aggregation enabled by the graph Laplacian or message passing, which filters the neighborhood information of nodes. Though effective for various tasks, in this paper, we show that they are potentially a problematic factor underlying all GNN models for learning on certain datasets, as they force the node representations similar, making the nodes gradually lose their identity and become indistinguishable. Hence, we augment the aggregation operations with their dual, i.e. diversification operators that make the node more distinct and preserve the identity. Such augmentation replaces the aggregation with a two-channel filtering process that, in theory, is beneficial for enriching the node representations. In practice, the proposed two-channel filters can be easily patched on existing GNN methods with diverse training strategies, including spectral and spatial (message passing) methods. In the experiments, we observe desired characteristics of the models and significant performance boost upon the baselines on 9 node classification tasks.

图形神经网络已成为从图形结构数据学习的不可缺少的工具之一，并且它们的实用性已在各种各样的任务中显示。近年来，建筑设计的巨大改进，导致各种预测任务的性能更好。通常，这些神经架构在同一层中使用可知的权重矩阵组合节点特征聚合和特征转换。这使得分析从各种跳过的节点特征和神经网络层的富有效力来挑战。由于不同的图形数据集显示在特征和类标签分布中的不同级别和异常级别，因此必须了解哪些特征对于没有任何先前信息的预测任务是重要的。在这项工作中，我们将节点特征聚合步骤和深度与图形神经网络分离，并经验分析了不同的聚合特征在预测性能中发挥作用。我们表明，并非通过聚合步骤生成的所有功能都很有用，并且通常使用这些较少的信息特征可能对GNN模型的性能有害。通过我们的实验，我们表明学习这些功能的某些子集可能会导致各种数据集的性能更好。我们建议使用Softmax作为常规器，并从不同跳距的邻居聚合的功能的“软选择器”;和L2 - GNN层的标准化。结合这些技术，我们呈现了一个简单浅的模型，特征选择图神经网络（FSGNN），并经验展示所提出的模型比九个基准数据集中的最先进的GNN模型实现了可比或甚至更高的准确性节点分类任务，具有显着的改进，可达51.1％。

Pre-publication draft of a book to be published byMorgan & Claypool publishers. Unedited version released with permission. All relevant copyrights held by the author and publisher extend to this pre-publication draft.

Graph neural networks (GNNs) have shown remarkable performance on homophilic graph data while being far less impressive when handling non-homophilic graph data due to the inherent low-pass filtering property of GNNs. In general, since the real-world graphs are often a complex mixture of diverse subgraph patterns, learning a universal spectral filter on the graph from the global perspective as in most current works may still suffer from great difficulty in adapting to the variation of local patterns. On the basis of the theoretical analysis on local patterns, we rethink the existing spectral filtering methods and propose the \textbf{\underline{N}}ode-oriented spectral \textbf{\underline{F}}iltering for \textbf{\underline{G}}raph \textbf{\underline{N}}eural \textbf{\underline{N}}etwork (namely NFGNN). By estimating the node-oriented spectral filter for each node, NFGNN is provided with the capability of precise local node positioning via the generalized translated operator, thus discriminating the variations of local homophily patterns adaptively. Meanwhile, the utilization of re-parameterization brings a good trade-off between global consistency and local sensibility for learning the node-oriented spectral filters. Furthermore, we theoretically analyze the localization property of NFGNN, demonstrating that the signal after adaptive filtering is still positioned around the corresponding node. Extensive experimental results demonstrate that the proposed NFGNN achieves more favorable performance.

Graph Neural Networks (GNNs) have been predominant for graph learning tasks; however, recent studies showed that a well-known graph algorithm, Label Propagation (LP), combined with a shallow neural network can achieve comparable performance to GNNs in semi-supervised node classification on graphs with high homophily. In this paper, we show that this approach falls short on graphs with low homophily, where nodes often connect to the nodes of the opposite classes. To overcome this, we carefully design a combination of a base predictor with LP algorithm that enjoys a closed-form solution as well as convergence guarantees. Our algorithm first learns the class compatibility matrix and then aggregates label predictions using LP algorithm weighted by class compatibilities. On a wide variety of benchmarks, we show that our approach achieves the leading performance on graphs with various levels of homophily. Meanwhile, it has orders of magnitude fewer parameters and requires less execution time. Empirical evaluations demonstrate that simple adaptations of LP can be competitive in semi-supervised node classification in both homophily and heterophily regimes.

在节点分类任务中，异常和过天性是两个可能损害图形卷积神经网络（GCN）性能的两个问题。异种源于问题是指模型无法处理异构节点属于不同类别的异细则图;过度问题是指模型的退化性能随着越来越多的层。这两个看似无关的问题大多是独立研究的，但最近有近期解决一个问题可能有益于另一个问题的经验证据。在这项工作中，除了经验观察之外，我们的目标是：（1）从统一的理论角度分析异常和过天际上的问题，（2）确定两个问题的共同原因，（3）提出简单但有效的解决策略共同的原因。在我们的理论分析中，我们表明异通源性和过天际上问题的共同原因 - 即节点的相对程度及其异常级别 - 触发连续层中的节点表示，以“移动”更靠近原始决策边界，这增加了某些约束下节点标签的错误分类率。理论上我们显示：（1）具有高异味的节点具有更高的错误分类率。 （2）即使在异常的情况下，节点邻域中的程度差异也可以影响节点表示的运动并导致“伪异性”情况，这有助于解释过度处理。 （3）允许在消息传递期间肯定的阳性而且负面信息可以有助于抵消两个问题的常见原因。基于我们的理论见解，我们提出了对GCN架构的简单修改（即学习程度校正和签名消息），我们表明他们在9个网络上缓解了HeteOlephily和过天际上的问题。

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

Existing popular methods for semi-supervised learning with Graph Neural Networks (such as the Graph Convolutional Network) provably cannot learn a general class of neighborhood mixing relationships. To address this weakness, we propose a new model, MixHop, that can learn these relationships, including difference operators, by repeatedly mixing feature representations of neighbors at various distances. MixHop requires no additional memory or computational complexity, and outperforms on challenging baselines. In addition, we propose sparsity regularization that allows us to visualize how the network prioritizes neighborhood information across different graph datasets. Our analysis of the learned architectures reveals that neighborhood mixing varies per datasets. 1 We use "like", as graph edges are not axis-aligned.

图形神经网络（GNNS）从节点功能和输入图拓扑中利用信号来改善节点分类任务性能。然而，这些模型倾向于在异细胞图上表现不良，其中连接的节点具有不同的标记。最近提出了GNNS横跨具有不同程度的同性恋级别的图表。其中，依赖于多项式图滤波器的模型已经显示了承诺。我们观察到这些多项式图滤波器模型的解决方案也是过度确定的方程式系统的解决方案。它表明，在某些情况下，模型需要学习相当高的多项式。在调查中，我们发现由于其设计而在学习此类多项式的拟议模型。为了缓解这个问题，我们执行图表的特征分解，并建议学习作用于频谱的不同子集的多个自适应多项式滤波器。理论上和经验证明我们所提出的模型学习更好的过滤器，从而提高了分类准确性。我们研究了我们提出的模型的各个方面，包括利用潜在多项式滤波器的依义组分的数量以及节点分类任务上的各个多项式的性能的依赖性。我们进一步表明，我们的模型通过在大图中评估来扩展。我们的模型在最先进的模型上实现了高达5％的性能增益，并且通常优于现有的基于多项式滤波器的方法。

图表神经网络（GNNS）在各种机器学习任务中获得了表示学习的提高。然而，应用邻域聚合的大多数现有GNN通常在图中的图表上执行不良，其中相邻的节点属于不同的类。在本文中，我们示出了在典型的异界图中，边缘可以被引导，以及是否像是处理边缘，也可以使它们过度地影响到GNN模型的性能。此外，由于异常的限制，节点对来自本地邻域之外的类似节点的消息非常有益。这些激励我们开发一个自适应地学习图表的方向性的模型，并利用潜在的长距离相关性节点之间。我们首先将图拉普拉斯概括为基于所提出的特征感知PageRank算法向数字化，该算法同时考虑节点之间的图形方向性和长距离特征相似性。然后，Digraph Laplacian定义了一个图形传播矩阵，导致一个名为{\ em diglaciangcn}的模型。基于此，我们进一步利用节点之间的通勤时间测量的节点接近度，以便在拓扑级别上保留节点的远距离相关性。具有不同级别的10个数据集的广泛实验，同意级别展示了我们在节点分类任务任务中对现有解决方案的有效性。

图形神经网络（GNNS）通过考虑其内在的几何形状来扩展神经网络的成功到图形结构化数据。尽管根据图表学习基准的集合，已经对开发具有卓越性能的GNN模型进行了广泛的研究，但目前尚不清楚其探测给定模型的哪些方面。例如，他们在多大程度上测试模型利用图形结构与节点特征的能力？在这里，我们开发了一种原则性的方法来根据$ \ textit {敏感性配置文件} $进行基准测试数据集，该方法基于由于图形扰动的集合而导致的GNN性能变化了多少。我们的数据驱动分析提供了对GNN利用哪些基准测试数据特性的更深入的了解。因此，我们的分类法可以帮助选择和开发适当的图基准测试，并更好地评估未来的GNN方法。最后，我们在$ \ texttt {gtaxogym} $软件包中的方法和实现可扩展到多个图形预测任务类型和未来数据集。

由于它们对处理图形结构数据的显着功率，图表卷积网络（GCNS）已广泛应用于各个领域。典型的GCN及其变体在同声源性假设下工作（即，具有相同类的节点容易彼此连接），同时忽略许多真实网络中存在的异源性（即，具有不同类别的节点倾向于形成边缘） 。现有方法通过主要聚集高阶邻域或梳理即时表示来处理异常的方法，这导致结果导致噪声和无关的信息。但这些方法没有改变在同性恋假设下工作的传播机制（这是GCN的基本部分）。这使得难以区分不同类别的节点的表示。为了解决这个问题，在本文中，我们设计了一种新的传播机制，可以根据节点对之间自动或异常改变传播和聚合过程。为了自适应地学习传播过程，我们在节点对之间引入两个奇妙程度的两个测量，这分别基于拓扑和属性信息来学习。然后，我们将学习的同音源于Graph卷积框架纳入图形卷积框架，该框架在端到端的架构中培训，使其能够超越奇妙的假设。更重要的是，我们理论上证明我们的模型可以根据他们的同意程度来限制节点之间的表示的相似性。 7个现实世界数据集的实验表明，这种新方法在异常或低意识下表现出最先进的方法，并在精梳性下获得竞争性能。

图神经网络（GNN）在节点分类任务上取得了巨大成功。尽管对开发和评估GNN具有广泛的兴趣，但它们已经通过有限的基准数据集进行了评估。结果，现有的GNN评估缺乏来自图的各种特征的细粒分析。在此激励的情况下，我们对合成图生成器进行了广泛的实验，该实验可以生成具有控制特征以进行细粒分析的图形。我们的实证研究阐明了带有节点类标签的真实图形标签的四个主要特征的GNN的优势和劣势，即1）类规模分布（平衡与失衡），2）等级之间的边缘连接比例（均质VS之间）异性词），3）属性值（偏见与随机），4）图形大小（小与大）。此外，为了促进对GNN的未来研究，我们公开发布了我们的代码库，该代码库允许用户用各种图表评估各种GNN。我们希望这项工作为未来的研究提供有趣的见解。

图形神经网络（GNN）已被广泛用于表示图数据的表示。但是，对图形数据实际上获得多少性能GNN的理解有限。本文介绍了上下文弹出的GNN框架，并提出了两个平滑度指标，以测量从图形数据获得的信息的数量和质量。然后，一种称为CS-GNN的新型GNN模型旨在根据图的平滑度值改善图形信息的使用。证明CS-GNN比不同类型的真实图中现有方法获得更好的性能。

最近关于图表卷积网络（GCN）的研究表明，初始节点表示（即，第一次图卷积前的节点表示）很大程度上影响最终的模型性能。但是，在学习节点的初始表示时，大多数现有工作线性地组合了节点特征的嵌入，而不考虑特征之间的交互（或特征嵌入）。我们认为，当节点特征是分类时，例如，在许多实际应用程序中，如用户分析和推荐系统，功能交互通常会对预测分析进行重要信号。忽略它们将导致次优初始节点表示，从而削弱后续图表卷积的有效性。在本文中，我们提出了一个名为CatGCN的新GCN模型，当节点功能是分类时，为图表学习量身定制。具体地，我们将显式交互建模的两种方式集成到初始节点表示的学习中，即在每对节点特征上的本地交互建模和人工特征图上的全局交互建模。然后，我们通过基于邻域聚合的图形卷积来优化增强的初始节点表示。我们以端到端的方式训练CatGCN，并在半监督节点分类上展示它。来自腾讯和阿里巴巴数据集的三个用户分析的三个任务（预测用户年龄，城市和购买级别）的大量实验验证了CatGCN的有效性，尤其是在图表卷积之前执行特征交互建模的积极效果。