How do we know when the predictions made by a classifier can be trusted? This is a fundamental problem that also has immense practical applicability, especially in safety-critical areas such as medicine and autonomous driving. The de facto approach of using the classifier's softmax outputs as a proxy for trustworthiness suffers from the over-confidence issue; while the most recent works incur problems such as additional retraining cost and accuracy versus trustworthiness trade-off. In this work, we argue that the trustworthiness of a classifier's prediction for a sample is highly associated with two factors: the sample's neighborhood information and the classifier's output. To combine the best of both worlds, we design a model-agnostic post-hoc approach NeighborAgg to leverage the two essential information via an adaptive neighborhood aggregation. Theoretically, we show that NeighborAgg is a generalized version of a one-hop graph convolutional network, inheriting the powerful modeling ability to capture the varying similarity between samples within each class. We also extend our approach to the closely related task of mislabel detection and provide a theoretical coverage guarantee to bound the false negative. Empirically, extensive experiments on image and tabular benchmarks verify our theory and suggest that NeighborAgg outperforms other methods, achieving state-of-the-art trustworthiness performance.

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.

The ability to quickly and accurately identify covariate shift at test time is a critical and often overlooked component of safe machine learning systems deployed in high-risk domains. While methods exist for detecting when predictions should not be made on out-of-distribution test examples, identifying distributional level differences between training and test time can help determine when a model should be removed from the deployment setting and retrained. In this work, we define harmful covariate shift (HCS) as a change in distribution that may weaken the generalization of a predictive model. To detect HCS, we use the discordance between an ensemble of classifiers trained to agree on training data and disagree on test data. We derive a loss function for training this ensemble and show that the disagreement rate and entropy represent powerful discriminative statistics for HCS. Empirically, we demonstrate the ability of our method to detect harmful covariate shift with statistical certainty on a variety of high-dimensional datasets. Across numerous domains and modalities, we show state-of-the-art performance compared to existing methods, particularly when the number of observed test samples is small.

深度神经网络具有令人印象深刻的性能，但是他们无法可靠地估计其预测信心，从而限制了其在高风险领域中的适用性。我们表明，应用多标签的一VS损失揭示了分类的歧义并降低了模型的过度自信。引入的Slova（单标签One-Vs-All）模型重新定义了单个标签情况的典型单VS-ALL预测概率，其中只有一个类是正确的答案。仅当单个类具有很高的概率并且其他概率可忽略不计时，提议的分类器才有信心。与典型的SoftMax函数不同，如果所有其他类的概率都很小，Slova自然会检测到分布的样本。该模型还通过指数校准进行了微调，这使我们能够与模型精度准确地对齐置信分数。我们在三个任务上验证我们的方法。首先，我们证明了斯洛伐克与最先进的分布校准具有竞争力。其次，在数据集偏移下，斯洛伐克的性能很强。最后，我们的方法在检测到分布样品的检测方面表现出色。因此，斯洛伐克是一种工具，可以在需要不确定性建模的各种应用中使用。

Accurate uncertainty quantification is a major challenge in deep learning, as neural networks can make overconfident errors and assign high confidence predictions to out-of-distribution (OOD) inputs. The most popular approaches to estimate predictive uncertainty in deep learning are methods that combine predictions from multiple neural networks, such as Bayesian neural networks (BNNs) and deep ensembles. However their practicality in real-time, industrial-scale applications are limited due to the high memory and computational cost. Furthermore, ensembles and BNNs do not necessarily fix all the issues with the underlying member networks. In this work, we study principled approaches to improve uncertainty property of a single network, based on a single, deterministic representation. By formalizing the uncertainty quantification as a minimax learning problem, we first identify distance awareness, i.e., the model's ability to quantify the distance of a testing example from the training data, as a necessary condition for a DNN to achieve high-quality (i.e., minimax optimal) uncertainty estimation. We then propose Spectral-normalized Neural Gaussian Process (SNGP), a simple method that improves the distance-awareness ability of modern DNNs with two simple changes: (1) applying spectral normalization to hidden weights to enforce bi-Lipschitz smoothness in representations and (2) replacing the last output layer with a Gaussian process layer. On a suite of vision and language understanding benchmarks, SNGP outperforms other single-model approaches in prediction, calibration and out-of-domain detection. Furthermore, SNGP provides complementary benefits to popular techniques such as deep ensembles and data augmentation, making it a simple and scalable building block for probabilistic deep learning. Code is open-sourced at https://github.com/google/uncertainty-baselines

缺乏精心校准的置信度估计值使神经网络在安全至关重要的领域（例如自动驾驶或医疗保健）中不足。在这些设置中，有能力放弃对分布（OOD）数据进行预测的能力，就像正确分类分布数据一样重要。我们介绍了$ P $ -DKNN，这是一种新颖的推理程序，该过程采用了经过训练的深神经网络，并分析了其中间隐藏表示形式的相似性结构，以计算与端到端模型预测相关的$ p $值。直觉是，在潜在表示方面执行的统计测试不仅可以用作分类器，还可以提供统计上有充分根据的不确定性估计。 $ P $ -DKNN是可扩展的，并利用隐藏层学到的表示形式的组成，这使深度表示学习成功。我们的理论分析基于Neyman-Pearson的分类，并将其与选择性分类的最新进展（拒绝选项）联系起来。我们证明了在放弃预测OOD输入和保持分布输入的高精度之间的有利权衡。我们发现，$ p $ -DKNN强迫自适应攻击者制作对抗性示例（一种最差的OOD输入形式），以对输入引入语义上有意义的更改。

机器学习模型通常会遇到与训练分布不同的样本。无法识别分布（OOD）样本，因此将该样本分配给课堂标签会显着损害模​​型的可靠性。由于其对在开放世界中的安全部署模型的重要性，该问题引起了重大关注。由于对所有可能的未知分布进行建模的棘手性，检测OOD样品是具有挑战性的。迄今为止，一些研究领域解决了检测陌生样本的问题，包括异常检测，新颖性检测，一级学习，开放式识别识别和分布外检测。尽管有相似和共同的概念，但分别分布，开放式检测和异常检测已被独立研究。因此，这些研究途径尚未交叉授粉，创造了研究障碍。尽管某些调查打算概述这些方法，但它们似乎仅关注特定领域，而无需检查不同领域之间的关系。这项调查旨在在确定其共同点的同时，对各个领域的众多著名作品进行跨域和全面的审查。研究人员可以从不同领域的研究进展概述中受益，并协同发展未来的方法。此外，据我们所知，虽然进行异常检测或单级学习进行了调查，但没有关于分布外检测的全面或最新的调查，我们的调查可广泛涵盖。最后，有了统一的跨域视角，我们讨论并阐明了未来的研究线，打算将这些领域更加紧密地融为一体。

图表表示学习是一种快速增长的领域，其中一个主要目标是在低维空间中产生有意义的图形表示。已经成功地应用了学习的嵌入式来执行各种预测任务，例如链路预测，节点分类，群集和可视化。图表社区的集体努力提供了数百种方法，但在所有评估指标下没有单一方法擅长，例如预测准确性，运行时间，可扩展性等。该调查旨在通过考虑算法来评估嵌入方法的所有主要类别的图表变体，参数选择，可伸缩性，硬件和软件平台，下游ML任务和多样化数据集。我们使用包含手动特征工程，矩阵分解，浅神经网络和深图卷积网络的分类法组织了图形嵌入技术。我们使用广泛使用的基准图表评估了节点分类，链路预测，群集和可视化任务的这些类别算法。我们在Pytorch几何和DGL库上设计了我们的实验，并在不同的多核CPU和GPU平台上运行实验。我们严格地审查了各种性能指标下嵌入方法的性能，并总结了结果。因此，本文可以作为比较指南，以帮助用户选择最适合其任务的方法。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

随着神经网络分类器部署在现实世界应用中，它们可以可靠地检测到它们的故障至关重要。一个实际解决方案是为每个预测分配置信度分数，然后使用这些分数来过滤可能的错误分类。然而，现有的置信度量尚未充分可靠地对此作用。本文介绍了一种新的框架，可以产生用于检测错误分类错误的定量度量。此框架红色在基本分类器的顶部构建错误检测器，并估计使用高斯过程的检测分数的不确定性。在125 UCI数据集上具有其他错误检测方法的实验比较证明了这种方法是有效的。在两个概率基础分类器上进一步实现以及视觉任务中的两个大型深度学习架构进一步证实了该方法是坚固且可扩展的。第三，用分布外和对抗样本的红色的实证分析表明，该方法不仅可以检测错误，还可以使用，而且可以了解它们来自哪里。因此，红色可以使用未来更广泛地提高神经网络分类器的可信度。

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.

本文介绍了分类器校准原理和实践的简介和详细概述。校准的分类器正确地量化了与其实例明智的预测相关的不确定性或信心水平。这对于关键应用，最佳决策，成本敏感的分类以及某些类型的上下文变化至关重要。校准研究具有丰富的历史，其中几十年来预测机器学习作为学术领域的诞生。然而，校准兴趣的最近增加导致了新的方法和从二进制到多种子体设置的扩展。需要考虑的选项和问题的空间很大，并导航它需要正确的概念和工具集。我们提供了主要概念和方法的介绍性材料和最新的技术细节，包括适当的评分规则和其他评估指标，可视化方法，全面陈述二进制和多字数分类的HOC校准方法，以及几个先进的话题。

疾病预测是医学应用中的知名分类问题。 GCNS提供了一个强大的工具，用于分析患者相对于彼此的特征。这可以通过将问题建模作为图形节点分类任务来实现，其中每个节点是患者。由于这种医学数据集的性质，类别不平衡是疾病预测领域的普遍存在问题，其中类的分布是歪曲的。当数据中存在类别不平衡时，现有的基于图形的分类器倾向于偏向于主要类别并忽略小类中的样本。另一方面，所有患者中罕见阳性病例的正确诊断在医疗保健系统中至关重要。在传统方法中，通过将适当的权重分配给丢失函数中的类别来解决这种不平衡，这仍然依赖于对异常值敏感的权重的相对值，并且在某些情况下偏向于小类（ES）。在本文中，我们提出了一种重加权的对抗性图形卷积网络（RA-GCN），以防止基于图形的分类器强调任何特定类的样本。这是通过将基于图形的神经网络与每个类相关联来完成的，这负责加权类样本并改变分类器的每个样本的重要性。因此，分类器自身调节并确定类之间的边界，更加关注重要样本。分类器和加权网络的参数受到侵犯方法训练。我们在合成和三个公共医疗数据集上显示实验。与最近的方法相比，ra-gcn展示了与最近的方法在所有三个数据集上识别患者状态的方法相比。详细分析作为合成数据集的定量和定性实验提供。

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.

在过去十年中，图形内核引起了很多关注，并在结构化数据上发展成为一种快速发展的学习分支。在过去的20年中，该领域发生的相当大的研究活动导致开发数十个图形内核，每个图形内核都对焦于图形的特定结构性质。图形内核已成功地成功地在广泛的域中，从社交网络到生物信息学。本调查的目标是提供图形内核的文献的统一视图。特别是，我们概述了各种图形内核。此外，我们对公共数据集的几个内核进行了实验评估，并提供了比较研究。最后，我们讨论图形内核的关键应用，并概述了一些仍有待解决的挑战。

图形神经网络（GNNS）在提供图形结构时良好工作。但是，这种结构可能并不总是在现实世界应用中可用。该问题的一个解决方案是推断任务特定的潜在结构，然后将GNN应用于推断的图形。不幸的是，可能的图形结构的空间与节点的数量超级呈指数，因此任务特定的监督可能不足以学习结构和GNN参数。在这项工作中，我们提出了具有自我监督或拍打的邻接和GNN参数的同时学习，这是通过自我监督来推断图形结构的更多监督的方法。一个综合实验研究表明，缩小到具有数十万个节点的大图和胜过了几种模型，以便在已建立的基准上学习特定于任务的图形结构。

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。

尽管图形神经网络（GNNS）已经取得了显着的准确性，但结果是否值得信赖仍未开发。以前的研究表明，许多现代神经网络对预测过度充满信心，然而，令人惊讶的是，我们发现GNN主要呈相反方向，即，GNN是不受自信的。因此，非常需要GNN的置信度校准。在本文中，我们通过设计拓扑知识的后HOC校准函数提出了一种新型值得信赖的GNN模型。具体而言，我们首先验证图形中的置信度分布具有同眼性的财产，而且这一发现激发了我们设计校准GNN模型（CAGCN）以学习校准功能。 CAGCN能够从GNN的Logits对每个节点的校准置信度获得独特的变换，同时，这种变换能够在类之间保留课程之间的顺序，满足精度保留的属性。此外，我们将校准GNN应用于自培训框架，表明可以通过校准的置信度获得更可靠的伪标签，并进一步提高性能。广泛的实验证明了我们所提出的模型在校准和准确性方面的有效性。

Machine Unerning是在收到删除请求时从机器学习（ML）模型中删除某些培训数据的影响的过程。虽然直接而合法，但从划痕中重新训练ML模型会导致高计算开销。为了解决这个问题，在图像和文本数据的域中提出了许多近似算法，其中SISA是最新的解决方案。它将训练集随机分配到多个碎片中，并为每个碎片训练一个组成模型。但是，将SISA直接应用于图形数据可能会严重损害图形结构信息，从而导致的ML模型实用程序。在本文中，我们提出了Grapheraser，这是一种针对图形数据量身定制的新型机器学习框架。它的贡献包括两种新型的图形分区算法和一种基于学习的聚合方法。我们在五个现实世界图数据集上进行了广泛的实验，以说明Grapheraser的学习效率和模型实用程序。它可以实现2.06 $ \ times $（小数据集）至35.94 $ \ times $（大数据集）未学习时间的改进。另一方面，Grapheraser的实现最高62.5美元\％$更高的F1分数，我们提出的基于学习的聚合方法可达到高达$ 112 \％$ $ F1分数。 github.com/minchen00/graph-unlearning}。}。}

最近，图形神经网络（GNN）通过利用图形结构和节点特征的知识来表现出图表表示的显着性能。但是，他们中的大多数都有两个主要限制。首先，GNN可以通过堆叠更多的层来学习高阶结构信息，但由于过度光滑的问题，无法处理较大的深度。其次，由于昂贵的计算成本和高内存使用情况，在大图上应用这些方法并不容易。在本文中，我们提出了节点自适应特征平滑（NAFS），这是一种简单的非参数方法，该方法构建了没有参数学习的节点表示。 NAFS首先通过特征平滑提取每个节点及其不同啤酒花的邻居的特征，然后自适应地结合了平滑的特征。此外，通过不同的平滑策略提取的平滑特征的合奏可以进一步增强构建的节点表示形式。我们在两个不同的应用程序方案上对四个基准数据集进行实验：节点群集和链接预测。值得注意的是，具有功能合奏的NAFS优于这些任务上最先进的GNN，并减轻上述大多数基于学习的GNN对应物的两个限制。