Deploying graph neural networks (GNNs) on whole-graph classification or regression tasks is known to be challenging: it often requires computing node features that are mindful of both local interactions in their neighbourhood and the global context of the graph structure. GNN architectures that navigate this space need to avoid pathological behaviours, such as bottlenecks and oversquashing, while ideally having linear time and space complexity requirements. In this work, we propose an elegant approach based on propagating information over expander graphs. We leverage an efficient method for constructing expander graphs of a given size, and use this insight to propose the EGP model. We show that EGP is able to address all of the above concerns, while requiring minimal effort to set up, and provide evidence of its empirical utility on relevant graph classification datasets and baselines in the Open Graph Benchmark. Importantly, using expander graphs as a template for message passing necessarily gives rise to negative curvature. While this appears to be counterintuitive in light of recent related work on oversquashing, we theoretically demonstrate that negatively curved edges are likely to be required to obtain scalable message passing without bottlenecks. To the best of our knowledge, this is a previously unstudied result in the context of graph representation learning, and we believe our analysis paves the way to a novel class of scalable methods to counter oversquashing in GNNs.

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.

大多数图形神经网络（GNNS）使用传递范例的消息，其中节点特征在输入图上传播。最近的作品指出，从远处节点流动的信息失真，作为限制依赖于长途交互的任务的消息的效率。这种现象称为“过度挤压”，已经启动到图形瓶颈，其中$ k $ -hop邻居的数量以$ k $迅速增长。我们在GNNS中提供了精确描述了GNNS中的过度挤压现象，并分析了它如何从图中的瓶颈引发。为此目的，我们介绍了一种新的基于边缘的组合曲率，并证明了负曲面负责过度挤压问题。我们还提出并通过实验测试了一种基于曲率的曲线图重新挖掘方法，以减轻过度挤压。

图形神经网络（GNN）已成为一种学习关系数据的强大技术。由于他们执行的消息传递步骤数量相对有限 - 因此一个较小的接收领域，人们对通过结合基础图的结构方面来提高其表现力引起了极大的兴趣。在本文中，我们探讨了亲和力措施作为图形神经网络中的特征，特别是由随机步行引起的措施，包括有效的阻力，击球和通勤时间。我们根据这些功能提出消息传递网络，并评估其在各种节点和图形属性预测任务上的性能。我们的体系结构具有较低的计算复杂性，而我们的功能对于基础图的排列不变。我们计算的措施使网络可以利用图表的连接性能，从而使我们能够超过相关的基准，用于各种任务，通常具有更少的消息传递步骤。在OGB-LSC-PCQM4MV1的最大公共图形回归数据集之一中，我们在编写时获得了最著名的单模验证MAE。

Graph Neural Networks (GNNs) had been demonstrated to be inherently susceptible to the problems of over-smoothing and over-squashing. These issues prohibit the ability of GNNs to model complex graph interactions by limiting their effectiveness at taking into account distant information. Our study reveals the key connection between the local graph geometry and the occurrence of both of these issues, thereby providing a unified framework for studying them at a local scale using the Ollivier's Ricci curvature. Based on our theory, a number of principled methods are proposed to alleviate the over-smoothing and over-squashing issues.

图形神经网络（GNN）已被证明可以实现竞争结果，以解决与图形相关的任务，例如节点和图形分类，链接预测和节点以及各种域中的图形群集。大多数GNN使用消息传递框架，因此称为MPNN。尽管有很有希望的结果，但据报道，MPNN会遭受过度平滑，过度阵型和不足的影响。文献中已经提出了图形重新布线和图形池作为解决这些局限性的解决方案。但是，大多数最先进的图形重新布线方法无法保留该图的全局拓扑，因此没有可区分（电感），并且需要调整超参数。在本文中，我们提出了Diffwire，这是一个在MPNN中进行图形重新布线的新型框架，它通过利用LOV \'ASZ绑定来原理，完全可区分且无参数。我们的方法通过提出两个新的，mpnns中的新的互补层来提供统一的图形重新布线：首先，ctlayer，一个学习通勤时间并将其用作边缘重新加权的相关函数；其次，Gaplayer是优化光谱差距的图层，具体取决于网络的性质和手头的任务。我们从经验上验证了我们提出的方法的价值，并使用基准数据集分别验证了这些层的每个层以进行图形分类。 Diffwire将通勤时间的可学习性汇集到相关的曲率定义，为发展更具表现力的MPNN的发展打开了大门。

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。

我们提出了一个新的图形神经网络，我们称为AgentNet，该网络专为图形级任务而设计。 AgentNet的灵感来自子宫性算法，具有独立于图形大小的计算复杂性。代理Net的体系结构从根本上与已知图神经网络的体系结构不同。在AgentNet中，一些受过训练的\ textit {神经代理}智能地行走图，然后共同决定输出。我们提供了对AgentNet的广泛理论分析：我们表明，代理可以学会系统地探索其邻居，并且AgentNet可以区分某些甚至3-WL无法区分的结构。此外，AgentNet能够将任何两个图形分开，这些图在子图方面完全不同。我们通过在难以辨认的图和现实图形分类任务上进行合成实验来确认这些理论结果。在这两种情况下，我们不仅与标准GNN相比，而且与计算更昂贵的GNN扩展相比。

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。

Most graph neural network models rely on a particular message passing paradigm, where the idea is to iteratively propagate node representations of a graph to each node in the direct neighborhood. While very prominent, this paradigm leads to information propagation bottlenecks, as information is repeatedly compressed at intermediary node representations, which causes loss of information, making it practically impossible to gather meaningful signals from distant nodes. To address this issue, we propose shortest path message passing neural networks, where the node representations of a graph are propagated to each node in the shortest path neighborhoods. In this setting, nodes can directly communicate between each other even if they are not neighbors, breaking the information bottleneck and hence leading to more adequately learned representations. Theoretically, our framework generalizes message passing neural networks, resulting in provably more expressive models, and we show that some recent state-of-the-art models are special instances of this framework. Empirically, we verify the capacity of a basic model of this framework on dedicated synthetic experiments, and on real-world graph classification and regression benchmarks, and obtain state-of-the-art results.

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。

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。

正如最近的作品中观察到的那样，通信图神经网络（GNN）中信号传播的质量强烈影响其表现力。特别是，对于依靠远程相互作用的预测任务，节点特征的递归聚合可能导致不希望的现象称为“过句”。我们提出了一个基于信息收缩的分析过度句子的框架。我们的分析以可靠计算的模型为指导，该模型由于冯·诺伊曼（Von Neumann），该模型在嘈杂的计算图中提供了新的洞察力作为信号淬灭的新见解。在此基础上，我们提出了一个旨在减轻过度量化的算法的图形。我们的算法采用了由扩展器图构造动机的随机局部边缘翻转原始的。我们将算法的光谱膨胀特性与现有基于曲率的非本地重新布线策略的光谱膨胀属性进行了比较。合成实验表明，尽管我们的算法通常具有较慢的膨胀速率，但总体计算更便宜，可以准确地保留节点度，并且永远不会断开图表的连接。

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.

随机块模型（SBM）是一个随机图模型，其连接不同的顶点组不同。它被广泛用作研究聚类和社区检测的规范模型，并提供了肥沃的基础来研究组合统计和更普遍的数据科学中出现的信息理论和计算权衡。该专着调查了最近在SBM中建立社区检测的基本限制的最新发展，无论是在信息理论和计算方案方面，以及各种恢复要求，例如精确，部分和弱恢复。讨论的主要结果是在Chernoff-Hellinger阈值中进行精确恢复的相转换，Kesten-Stigum阈值弱恢复的相变，最佳的SNR - 单位信息折衷的部分恢复以及信息理论和信息理论之间的差距计算阈值。该专着给出了在寻求限制时开发的主要算法的原则推导，特别是通过绘制绘制，半定义编程，（线性化）信念传播，经典/非背带频谱和图形供电。还讨论了其他块模型的扩展，例如几何模型和一些开放问题。

这篇综述的目的是将读者介绍到图表内，以将其应用于化学信息学中的分类问题。图内核是使我们能够推断分子的化学特性的功能，可以帮助您完成诸如寻找适合药物设计的化合物等任务。内核方法的使用只是一种特殊的两种方式量化了图之间的相似性。我们将讨论限制在这种方法上，尽管近年来已经出现了流行的替代方法，但最著名的是图形神经网络。

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。

图表学习方法的理论分析通常假设输入图的完全观察。由于实践中的可扩展性问题，这种假设可能对处理任何大小的图表都不有用。在这项工作中，我们在部分观察设置中开发了图形分类问题的理论框架（即，子图采样）。在图形限制理论中配备了洞察力，我们提出了一种新的图形分类模型，用于在随机采样的子图和新颖的拓扑上工作，以表征模型的可颂扬性。我们的理论框架在图形上提供了迷你批量学习的理论验证，并导致新的学习 - 理论上的泛化界限以及尺寸概括地，而不是输入的假设。

Kernel matrices, as well as weighted graphs represented by them, are ubiquitous objects in machine learning, statistics and other related fields. The main drawback of using kernel methods (learning and inference using kernel matrices) is efficiency -- given $n$ input points, most kernel-based algorithms need to materialize the full $n \times n$ kernel matrix before performing any subsequent computation, thus incurring $\Omega(n^2)$ runtime. Breaking this quadratic barrier for various problems has therefore, been a subject of extensive research efforts. We break the quadratic barrier and obtain $\textit{subquadratic}$ time algorithms for several fundamental linear-algebraic and graph processing primitives, including approximating the top eigenvalue and eigenvector, spectral sparsification, solving linear systems, local clustering, low-rank approximation, arboricity estimation and counting weighted triangles. We build on the recent Kernel Density Estimation framework, which (after preprocessing in time subquadratic in $n$) can return estimates of row/column sums of the kernel matrix. In particular, we develop efficient reductions from $\textit{weighted vertex}$ and $\textit{weighted edge sampling}$ on kernel graphs, $\textit{simulating random walks}$ on kernel graphs, and $\textit{importance sampling}$ on matrices to Kernel Density Estimation and show that we can generate samples from these distributions in $\textit{sublinear}$ (in the support of the distribution) time. Our reductions are the central ingredient in each of our applications and we believe they may be of independent interest. We empirically demonstrate the efficacy of our algorithms on low-rank approximation (LRA) and spectral sparsification, where we observe a $\textbf{9x}$ decrease in the number of kernel evaluations over baselines for LRA and a $\textbf{41x}$ reduction in the graph size for spectral sparsification.

图形神经网络（GNN）在许多基于图的学​​习任务中表现出很大的优势，但通常无法准确预测基于任务的节点集，例如链接/主题预测等。最近，许多作品通过使用随机节点功能或节点距离特征来解决此问题。但是，它们的收敛速度缓慢，预测不准确或高复杂性。在这项工作中，我们重新访问允许使用位置编码（PE）技术（例如Laplacian eigenmap，deepwalk等）的节点的位置特征。 。在这里，我们以原则性的方式研究了这些问题，并提出了一种可证明的解决方案，这是一类用严格数学分析的钉子的GNN层。 PEG使用单独的频道来更新原始节点功能和位置功能。 PEG施加置换量比W.R.T.原始节点功能并施加$ O（P）$（正交组）均值W.R.T.位置特征同时特征，其中$ p $是二手位置特征的维度。在8个现实世界网络上进行的广泛链接预测实验证明了PEG在概括和可伸缩性方面的优势。