自引入以来，图形注意力网络在图表表示任务中取得了出色的结果。但是，这些网络仅考虑节点之间的成对关系，然后它们无法完全利用许多现实世界数据集中存在的高阶交互。在本文中，我们介绍了细胞注意网络（CANS），这是一种在图表上定义的数据上运行的神经体系结构，将图表示为介绍的细胞复合物的1个骨骼，以捕获高阶相互作用。特别是，我们利用细胞复合物中的下层和上层社区来设计两种独立的掩盖自我发项机制，从而推广了常规的图形注意力策略。罐中使用的方法是层次结构的，并结合了以下步骤：i）从{\ it node demantion}中学习{\ it Edge功能}的提升算法}; ii）一种细胞注意机制，可以在下层和上邻居上找到边缘特征的最佳组合； iii）层次{\ it Edge Pooling}机制，以提取一组紧凑的有意义的功能集。实验结果表明，CAN是一种低复杂性策略，它与基于图的学​​习任务的最新结果相比。

图形神经网络（GNNS）的表现力量受到限制，具有远程交互的斗争，缺乏模拟高阶结构的原则性方法。这些问题可以归因于计算图表和输入图结构之间的强耦合。最近提出的消息通过单独的网络通过执行图形的Clique复合物的消息来自然地解耦这些元素。然而，这些模型可能受到单纯复合物（SCS）的刚性组合结构的严重限制。在这项工作中，我们将最近的基于常规细胞复合物的理论结果扩展到常规细胞复合物，灵活地满满SCS和图表的拓扑物体。我们表明，该概括提供了一组强大的图表“提升”转换，每个图形是导致唯一的分层消息传递过程。我们集体呼叫CW Networks（CWNS）的结果方法比WL测试更强大，而不是比3 WL测试更强大。特别是，当应用于分子图问题时，我们证明了一种基于环的一个这样的方案的有效性。所提出的架构从可提供的较大的表达效益于常用的GNN，高阶信号的原则建模以及压缩节点之间的距离。我们展示了我们的模型在各种分子数据集上实现了最先进的结果。

近年来，基于Weisfeiler-Leman算法的算法和神经架构，是一个众所周知的Graph同构问题的启发式问题，它成为具有图形和关系数据的机器学习的强大工具。在这里，我们全面概述了机器学习设置中的算法的使用，专注于监督的制度。我们讨论了理论背景，展示了如何将其用于监督的图形和节点表示学习，讨论最近的扩展，并概述算法的连接（置换 - ）方面的神经结构。此外，我们概述了当前的应用和未来方向，以刺激进一步的研究。

异质图具有多个节点和边缘类型，并且在语义上比同质图更丰富。为了学习这种复杂的语义，许多用于异质图的图形神经网络方法使用Metapaths捕获节点之间的多跳相互作用。通常，非目标节点的功能未纳入学习过程。但是，可以存在涉及多个节点或边缘的非线性高阶相互作用。在本文中，我们提出了Simplicial Graph注意网络（SGAT），这是一种简单的复杂方法，可以通过将非目标节点的特征放在简单上来表示这种高阶相互作用。然后，我们使用注意机制和上邻接来生成表示。我们凭经验证明了方法在异质图数据集上使用节点分类任务的方法的功效，并进一步显示了SGAT通过采用随机节点特征来提取结构信息的能力。数值实验表明，SGAT的性能优于其他当前最新的异质图学习方法。

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.

图表可以模拟实体之间的复杂交互，它在许多重要的应用程序中自然出现。这些应用程序通常可以投入到标准图形学习任务中，其中关键步骤是学习低维图表示。图形神经网络（GNN）目前是嵌入方法中最受欢迎的模型。然而，邻域聚合范例中的标准GNN患有区分\ EMPH {高阶}图形结构的有限辨别力，而不是\ EMPH {低位}结构。为了捕获高阶结构，研究人员求助于主题和开发的基于主题的GNN。然而，现有的基于主基的GNN仍然仍然遭受较少的辨别力的高阶结构。为了克服上述局限性，我们提出了一个新颖的框架，以更好地捕获高阶结构的新框架，铰接于我们所提出的主题冗余最小化操作员和注射主题组合的新颖框架。首先，MGNN生成一组节点表示W.R.T.每个主题。下一阶段是我们在图案中提出的冗余最小化，该主题在彼此相互比较并蒸馏出每个主题的特征。最后，MGNN通过组合来自不同图案的多个表示来执行节点表示的更新。特别地，为了增强鉴别的功率，MGNN利用重新注射功能来组合表示的函数w.r.t.不同的主题。我们进一步表明，我们的拟议体系结构增加了GNN的表现力，具有理论分析。我们展示了MGNN在节点分类和图形分类任务上的七个公共基准上表现出最先进的方法。

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。

Graph神经网络（GNN）最近已成为使用图的机器学习的主要范式。对GNNS的研究主要集中于消息传递神经网络（MPNNS）的家族。与同构的Weisfeiler-Leman（WL）测试类似，这些模型遵循迭代的邻域聚合过程以更新顶点表示，并通过汇总顶点表示来更新顶点图表。尽管非常成功，但在过去的几年中，对MPNN进行了深入的研究。因此，需要新颖的体系结构，这将使该领域的研究能够脱离MPNN。在本文中，我们提出了一个新的图形神经网络模型，即所谓的$ \ pi $ -gnn，该模型学习了每个图的“软”排列（即双随机）矩阵，从而将所有图形投影到一个共同的矢量空间中。学到的矩阵在输入图的顶点上强加了“软”顺序，并基于此顺序，将邻接矩阵映射到向量中。这些向量可以被送入完全连接或卷积的层，以应对监督的学习任务。在大图的情况下，为了使模型在运行时间和记忆方面更有效，我们进一步放松了双随机矩阵，以使其排列随机矩阵。我们从经验上评估了图形分类和图形回归数据集的模型，并表明它与最新模型达到了性能竞争。

消息传递神经网络（MPNNS）是由于其简单性和可扩展性而大部分地进行图形结构数据的深度学习的领先架构。不幸的是，有人认为这些架构的表现力有限。本文提出了一种名为Comifariant Subgraph聚合网络（ESAN）的新颖框架来解决这个问题。我们的主要观察是，虽然两个图可能无法通过MPNN可区分，但它们通常包含可区分的子图。因此，我们建议将每个图形作为由某些预定义策略导出的一组子图，并使用合适的等分性架构来处理它。我们为图同构同构同构造的1立维Weisfeiler-Leman（1-WL）测试的新型变体，并在这些新的WL变体方面证明了ESAN的表达性下限。我们进一步证明，我们的方法增加了MPNNS和更具表现力的架构的表现力。此外，我们提供了理论结果，描述了设计选择诸如子图选择政策和等效性神经结构的设计方式如何影响我们的架构的表现力。要处理增加的计算成本，我们提出了一种子图采样方案，可以将其视为我们框架的随机版本。关于真实和合成数据集的一套全面的实验表明，我们的框架提高了流行的GNN架构的表现力和整体性能。

Deep learning has revolutionized many machine learning tasks in recent years, ranging from image classification and video processing to speech recognition and natural language understanding. The data in these tasks are typically represented in the Euclidean space. However, there is an increasing number of applications where data are generated from non-Euclidean domains and are represented as graphs with complex relationships and interdependency between objects. The complexity of graph data has imposed significant challenges on existing machine learning algorithms. Recently, many studies on extending deep learning approaches for graph data have emerged. In this survey, we provide a comprehensive overview of graph neural networks (GNNs) in data mining and machine learning fields. We propose a new taxonomy to divide the state-of-the-art graph neural networks into four categories, namely recurrent graph neural networks, convolutional graph neural networks, graph autoencoders, and spatial-temporal graph neural networks. We further discuss the applications of graph neural networks across various domains and summarize the open source codes, benchmark data sets, and model evaluation of graph neural networks. Finally, we propose potential research directions in this rapidly growing field.

在这项工作中，我们开发了一种新的方法，名为局部排列的图形神经网络，它为建立在本地节点邻域，通过子图形的构建图形神经网络的框架，同时使用置换等值更新功能。消息传递神经网络的消息被认为是有效应功率的限制，并且最近过度的方法缺乏可扩展性或需要将结构信息被编码为特征空间。这里呈现的一般框架克服了通过通过受限制表示在子图上操作的与全局排列等值相关的可扩展性问题。此外，我们证明了通过使用限制的陈述没有丧失表情。此外，所提出的框架仅需要选择$ k $-hops，用于创建用于为每层使用的子图和选择的表示空间，这使得该方法在一系列基于图形的域中可以容易地适用。我们通过实验验证了一系列图形基准分类任务的方法，在所有基准上展示了最先进的结果或非常竞争力的结果。此外，我们证明使用本地更新函数的使用在全球方法上提供了GPU存储器的显着改进。

许多现代神经架构的核心的卷积运算符可以有效地被视为在输入矩阵和滤波器之间执行点产品。虽然这很容易适用于诸如图像的数据，其可以在欧几里德空间中表示为常规网格，延伸卷积操作者以在图形上工作，而是由于它们的不规则结构而被证明更具有挑战性。在本文中，我们建议使用图形内部产品的图形内核，即在图形上计算内部产品，以将标准卷积运算符扩展到图形域。这使我们能够定义不需要计算输入图的嵌入的完全结构模型。我们的架构允许插入任何类型和数量的图形内核，并具有在培训过程中学到的结构面具方面提供一些可解释性的额外益处，类似于传统卷积神经网络中的卷积掩模发生的事情。我们执行广泛的消融研究，调查模型超参数的影响，我们表明我们的模型在标准图形分类数据集中实现了竞争性能。

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.

In the last few years, graph neural networks (GNNs) have become the standard toolkit for analyzing and learning from data on graphs. This emerging field has witnessed an extensive growth of promising techniques that have been applied with success to computer science, mathematics, biology, physics and chemistry. But for any successful field to become mainstream and reliable, benchmarks must be developed to quantify progress. This led us in March 2020 to release a benchmark framework that i) comprises of a diverse collection of mathematical and real-world graphs, ii) enables fair model comparison with the same parameter budget to identify key architectures, iii) has an open-source, easy-to-use and reproducible code infrastructure, and iv) is flexible for researchers to experiment with new theoretical ideas. As of December 2022, the GitHub repository has reached 2,000 stars and 380 forks, which demonstrates the utility of the proposed open-source framework through the wide usage by the GNN community. In this paper, we present an updated version of our benchmark with a concise presentation of the aforementioned framework characteristics, an additional medium-sized molecular dataset AQSOL, similar to the popular ZINC, but with a real-world measured chemical target, and discuss how this framework can be leveraged to explore new GNN designs and insights. As a proof of value of our benchmark, we study the case of graph positional encoding (PE) in GNNs, which was introduced with this benchmark and has since spurred interest of exploring more powerful PE for Transformers and GNNs in a robust experimental setting.

Graphs are ubiquitous in nature and can therefore serve as models for many practical but also theoretical problems. For this purpose, they can be defined as many different types which suitably reflect the individual contexts of the represented problem. To address cutting-edge problems based on graph data, the research field of Graph Neural Networks (GNNs) has emerged. Despite the field's youth and the speed at which new models are developed, many recent surveys have been published to keep track of them. Nevertheless, it has not yet been gathered which GNN can process what kind of graph types. In this survey, we give a detailed overview of already existing GNNs and, unlike previous surveys, categorize them according to their ability to handle different graph types and properties. We consider GNNs operating on static and dynamic graphs of different structural constitutions, with or without node or edge attributes. Moreover, we distinguish between GNN models for discrete-time or continuous-time dynamic graphs and group the models according to their architecture. We find that there are still graph types that are not or only rarely covered by existing GNN models. We point out where models are missing and give potential reasons for their absence.

Recently, graph neural networks (GNNs) have revolutionized the field of graph representation learning through effectively learned node embeddings, and achieved state-of-the-art results in tasks such as node classification and link prediction. However, current GNN methods are inherently flat and do not learn hierarchical representations of graphs-a limitation that is especially problematic for the task of graph classification, where the goal is to predict the label associated with an entire graph. Here we propose DIFFPOOL, a differentiable graph pooling module that can generate hierarchical representations of graphs and can be combined with various graph neural network architectures in an end-to-end fashion. DIFFPOOL learns a differentiable soft cluster assignment for nodes at each layer of a deep GNN, mapping nodes to a set of clusters, which then form the coarsened input for the next GNN layer. Our experimental results show that combining existing GNN methods with DIFFPOOL yields an average improvement of 5-10% accuracy on graph classification benchmarks, compared to all existing pooling approaches, achieving a new state-of-the-art on four out of five benchmark data sets.

深度学习技术的普及更新了能够处理可以使用图形的复杂结构的神经结构的兴趣，由图形神经网络（GNN）的启发。我们将注意力集中在最初提出的Scarselli等人的GNN模型上。 2009，通过迭代扩散过程编码图表的节点的状态，即在学习阶段，必须在每个时期计算，直到达到学习状态转换功能的固定点，传播信息邻近节点。基于拉格朗日框架的约束优化，我们提出了一种在GNNS中学习的新方法。学习转换功能和节点状态是联合过程的结果，其中通过约束满足机制隐含地表达了状态会聚过程，避免了迭代巨头程序和网络展开。我们的计算结构在由权重组成的伴随空间中搜索拉格朗日的马鞍点，节点状态变量和拉格朗日乘法器。通过加速扩散过程的多个约束层进一步增强了该过程。实验分析表明，该方法在几个基准上的流行模型有利地比较。

在处理表格数据时，基于回归和决策树的模型是一个流行的选择，因为与其他模型类别相比，它们在此类任务上提供了高精度及其易于应用。但是，在图形结构数据方面，当前的树学习算法不提供管理数据结构的工具，而不是依靠功能工程。在这项工作中，我们解决了上述差距，并引入了图形树（GTA），这是一个新的基于树的学习算法，旨在在图形上操作。 GTA既利用图形结构又利用了顶点的特征，并采用了一种注意机制，该机制允许决策专注于图形的子结构。我们分析了GTA模型，并表明它们比平原决策树更具表现力。我们还在多个图和节点预测基准上证明了GTA的好处。在这些实验中，GTA始终优于其他基于树的模型，并且通常优于其他类型的图形学习算法，例如图形神经网络（GNNS）和图核。最后，我们还为GTA提供了一种解释性机制，并证明它可以提供直观的解释。

We present graph attention networks (GATs), novel neural network architectures that operate on graph-structured data, leveraging masked self-attentional layers to address the shortcomings of prior methods based on graph convolutions or their approximations. By stacking layers in which nodes are able to attend over their neighborhoods' features, we enable (implicitly) specifying different weights to different nodes in a neighborhood, without requiring any kind of costly matrix operation (such as inversion) or depending on knowing the graph structure upfront. In this way, we address several key challenges of spectral-based graph neural networks simultaneously, and make our model readily applicable to inductive as well as transductive problems. Our GAT models have achieved or matched state-of-theart results across four established transductive and inductive graph benchmarks: the Cora, Citeseer and Pubmed citation network datasets, as well as a proteinprotein interaction dataset (wherein test graphs remain unseen during training).

变压器架构最近在图表表示学习中引起了人们的注意，因为它自然地克服了图神经网络（GNN）的几个局限性，避免了它们严格的结构电感偏置，而仅通过位置编码来编码图形结构。在这里，我们表明，具有位置编码的变压器生成的节点表示不一定捕获它们之间的结构相似性。为了解决这个问题，我们提出了结构感知的变压器，这是一类简单而灵活的图形变压器，建立在新的自我发项机制的基础上。这一新的自我注意力通过在计算注意力之前提取植根于每个节点的子图表来结合结构信息。我们提出了几种自动生成子图表表示的方法，并从理论上说明结果表示至少与子图表一样表现力。从经验上讲，我们的方法在五个图预测基准上实现了最先进的性能。我们的结构感知框架可以利用任何现有的GNN提取子图表表示，我们表明它系统地改善了相对于基本GNN模型的性能，成功地结合了GNN和变形金刚的优势。我们的代码可在https://github.com/borgwardtlab/sat上找到。