图聚类是将顶点分组为称为簇的密集连接的集合的过程。我们量身定制了从文献到这个问题的两个数学编程公式。在此过程中，我们获得了群体内密度最大化问题的启发式近似。我们使用两种变体的玻尔兹曼机器启发式方法来获得数值解决方案。为了进行基准测试，我们将解决方案质量和计算性能与使用商业求解器Gurobi获得的溶液质量和计算性能进行比较。我们还将聚类质量与使用流行的Louvain模块化最大化方法获得的聚类质量进行了比较。我们的最初结果清楚地表明了我们的问题配方的优势。他们还建立了Boltzmann机器比传统精确求解器的优越性。在较小的图形较小的情况下，Boltzmann机器提供与Gurobi相同的解决方案，但解决方案时间较低。在较大且更复杂的图表的情况下，Gurobi无法在合理的时间范围内返回有意义的结果。最后，我们还注意到，我们的聚类配方，距离最小化和$ k $ - 麦德体的产量簇的质量均优于使用Louvain算法获得的簇。

The analysis of network structure is essential to many scientific areas, ranging from biology to sociology. As the computational task of clustering these networks into partitions, i.e., solving the community detection problem, is generally NP-hard, heuristic solutions are indispensable. The exploration of expedient heuristics has led to the development of particularly promising approaches in the emerging technology of quantum computing. Motivated by the substantial hardware demands for all established quantum community detection approaches, we introduce a novel QUBO based approach that only needs number-of-nodes many qubits and is represented by a QUBO-matrix as sparse as the input graph's adjacency matrix. The substantial improvement on the sparsity of the QUBO-matrix, which is typically very dense in related work, is achieved through the novel concept of separation-nodes. Instead of assigning every node to a community directly, this approach relies on the identification of a separation-node set, which -- upon its removal from the graph -- yields a set of connected components, representing the core components of the communities. Employing a greedy heuristic to assign the nodes from the separation-node sets to the identified community cores, subsequent experimental results yield a proof of concept. This work hence displays a promising approach to NISQ ready quantum community detection, catalyzing the application of quantum computers for the network structure analysis of large scale, real world problem instances.

近年来，在平衡（超级）图分配算法的设计和评估中取得了重大进展。我们调查了过去十年的实用算法的趋势，用于平衡（超级）图形分区以及未来的研究方向。我们的工作是对先前有关该主题的调查的更新。特别是，该调查还通过涵盖了超图形分区和流算法来扩展先前的调查，并额外关注并行算法。

We review clustering as an analysis tool and the underlying concepts from an introductory perspective. What is clustering and how can clusterings be realised programmatically? How can data be represented and prepared for a clustering task? And how can clustering results be validated? Connectivity-based versus prototype-based approaches are reflected in the context of several popular methods: single-linkage, spectral embedding, k-means, and Gaussian mixtures are discussed as well as the density-based protocols (H)DBSCAN, Jarvis-Patrick, CommonNN, and density-peaks.

In recent years, spectral clustering has become one of the most popular modern clustering algorithms. It is simple to implement, can be solved efficiently by standard linear algebra software, and very often outperforms traditional clustering algorithms such as the k-means algorithm. On the first glance spectral clustering appears slightly mysterious, and it is not obvious to see why it works at all and what it really does. The goal of this tutorial is to give some intuition on those questions. We describe different graph Laplacians and their basic properties, present the most common spectral clustering algorithms, and derive those algorithms from scratch by several different approaches. Advantages and disadvantages of the different spectral clustering algorithms are discussed.

许多复杂网络的结构包括其拓扑顶部的边缘方向性和权重。可以无缝考虑这些属性组合的网络分析是可取的。在本文中，我们研究了两个重要的这样的网络分析技术，即中心和聚类。采用信息流基于集群的模型，该模型本身就是在计算中心的信息定理措施时构建。我们的主要捐款包括马尔可夫熵中心的广义模型，灵活地调整节点度，边缘权重和方向的重要性，具有闭合形式的渐近分析。它导致一种新颖的两级图形聚类算法。中心分析有助于推理我们对给定图形的方法的适用性，并确定探索当地社区结构的“查询”节点，从而导致群集聚类机制。熵中心计算由我们的聚类算法摊销，使其计算得高效：与使用马尔可夫熵中心为聚类的先前方法相比，我们的实验表明了多个速度的速度。我们的聚类算法自然地继承了适应边缘方向性的灵活性，以及​​边缘权重和节点度之间的不同解释和相互作用。总的来说，本文不仅具有显着的理论和概念贡献，还转化为实际相关性的文物，产生新的，有效和可扩展的中心计算和图形聚类算法，其有效通过广泛的基准测试进行了验证。

图形神经网络（GNN）已在许多图分析任务（例如节点分类和链接预测）上实现了最新结果。然而，事实证明，图形群集等图形上的重要无监督问题对GNN的进步具有更大的抵抗力。图群集的总体目标与GNN中的节点合并相同 - 这是否意味着GNN池方法在聚类图上做得很好？令人惊讶的是，答案是没有的 - 当前的GNN合并方法通常无法恢复群集结构，而在简单的基线（例如应用于学习的表示形式上的K-均值）良好工作的情况下。我们通过仔细设计一组实验来进一步研究，以研究图形结构和属性数据中的不同信噪比情景。为了解决这些方法在聚类中的性能不佳，我们引入了深层模块化网络（DMON），这是一种受群集质量模块化量度启发的无监督池方法，并显示了它如何解决现实世界图的挑战性聚类结构的恢复。同样，在现实世界中，我们表明DMON产生的高质量簇与地面真相标签密切相关，从而实现了最先进的结果，比不同指标的其他合并方法提高了40％以上。

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

我们研究了流行群体质量指标的潜在偏见，例如电导或模块化。我们提出了一种方法，该方法使用随机和优先附加块模型构造来生成具有预设社区结构的网络，将应用质量指标。这些模型还允许我们生成不同强度的多级结构，这将显示指标是否有利于较大或更少数量的群集。另外，我们提出了另一种质量指标，密度比。我们观察到，即使它们的相对内部和外部连接是相同的，大多数研究的指标也倾向于倾向于倾向于将分区分成较少数量的大集群。发现偏置的度量较少是模块化和密度比。

The stochastic block model (SBM) is a random graph model with planted clusters. It is widely employed as a canonical model to study clustering and community detection, and provides generally a fertile ground to study the statistical and computational tradeoffs that arise in network and data sciences.This note surveys the recent developments that establish the fundamental limits for community detection in the SBM, both with respect to information-theoretic and computational thresholds, and for various recovery requirements such as exact, partial and weak recovery (a.k.a., detection). The main results discussed are the phase transitions for exact recovery at the Chernoff-Hellinger threshold, the phase transition for weak recovery at the Kesten-Stigum threshold, the optimal distortion-SNR tradeoff for partial recovery, the learning of the SBM parameters and the gap between information-theoretic and computational thresholds.The note also covers some of the algorithms developed in the quest of achieving the limits, in particular two-round algorithms via graph-splitting, semi-definite programming, linearized belief propagation, classical and nonbacktracking spectral methods. A few open problems are also discussed.

空间优化问题（SOP）的特征是管理决策变量，目标和/或约束功能的空间关系。在本文中，我们关注一种称为空间分区的特定类型的SOP，这是一个组合问题，这是由于存在离散空间单元。精确的优化方法不会随着问题的大小而扩展，尤其是在可行的时间限制内。这促使我们开发基于人群的元启发式学来解决此类SOP。但是，这些基于人群的方法采用的搜索操作员主要是为实参与者连续优化问题而设计的。为了使这些方法适应SOP，我们将域知识应用于设计空间感知的搜索操作员，以在保留空间约束的同时有效地通过离散搜索空间进行有效搜索。为此，我们提出了一种简单而有效的算法，称为基于群的空间模因算法（空间），并在学校（RE）区域问题上进行测试。对现实世界数据集进行了详细的实验研究，以评估空间的性能。此外，进行消融研究以了解空间各个组成部分的作用。此外，我们讨论空间〜如何在现实生活计划过程及其对不同方案的适用性并激发未来的研究方向有帮助。

最小的平方和群集（MSSC）或K-Means型聚类，传统上被认为是无监督的学习任务。近年来，使用背景知识来提高集群质量，促进聚类过程的可解释性已成为数学优化和机器学习研究的热门研究课题。利用数据群集中的背景信息的问题称为半监督或约束群集。在本文中，我们为半监控MSSC提供了一种新的分支和绑定算法，其中背景知识被包含为成对必须 - 链接和无法链接约束。对于较低的界限，我们解决了MSSC离散优化模型的Semidefinite编程宽松，并使用了用于加强界限的纤维平面程序。相反，通过使用整数编程工具，我们提出了将K-Means算法适应受约束的情况。这是第一次，所提出的全局优化算法有效地管理，以解决现实世界的情况，最高可达800个数据点，具有必要的必须 - 链接和无法链接约束以及通用数量的功能。这个问题大小大约比最先进的精确算法解决的实例大约四倍。

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。

Graph clustering is a fundamental problem in unsupervised learning, with numerous applications in computer science and in analysing real-world data. In many real-world applications, we find that the clusters have a significant high-level structure. This is often overlooked in the design and analysis of graph clustering algorithms which make strong simplifying assumptions about the structure of the graph. This thesis addresses the natural question of whether the structure of clusters can be learned efficiently and describes four new algorithmic results for learning such structure in graphs and hypergraphs. All of the presented theoretical results are extensively evaluated on both synthetic and real-word datasets of different domains, including image classification and segmentation, migration networks, co-authorship networks, and natural language processing. These experimental results demonstrate that the newly developed algorithms are practical, effective, and immediately applicable for learning the structure of clusters in real-world data.

This article explores and analyzes the unsupervised clustering of large partially observed graphs. We propose a scalable and provable randomized framework for clustering graphs generated from the stochastic block model. The clustering is first applied to a sub-matrix of the graph's adjacency matrix associated with a reduced graph sketch constructed using random sampling. Then, the clusters of the full graph are inferred based on the clusters extracted from the sketch using a correlation-based retrieval step. Uniform random node sampling is shown to improve the computational complexity over clustering of the full graph when the cluster sizes are balanced. A new random degree-based node sampling algorithm is presented which significantly improves upon the performance of the clustering algorithm even when clusters are unbalanced. This framework improves the phase transitions for matrix-decomposition-based clustering with regard to computational complexity and minimum cluster size, which are shown to be nearly dimension-free in the low inter-cluster connectivity regime. A third sampling technique is shown to improve balance by randomly sampling nodes based on spatial distribution. We provide analysis and numerical results using a convex clustering algorithm based on matrix completion.

由于其数值益处增加及其坚实的数学背景，光谱聚类方法的非线性重构近来的关注。我们在$ p $ -norm中提出了一种新的直接多道谱聚类算法，以$ p \ in（1,2] $。计算图表的多个特征向量的问题$ p $ -laplacian，标准的非线性概括Graph Laplacian，被重用作为Grassmann歧管的无约束最小化问题。$ P $的价值以伪连续的方式减少，促进对应于最佳图形的稀疏解决方案载体作为$ P $接近。监测单调减少平衡图削减了我们从$ P $ -Levels获得的最佳可用解决方案的保证。我们展示了我们算法在各种人工测试案件中的算法的有效性和准确性。我们的数值和比较结果具有各种状态-Art聚类方法表明，所提出的方法在均衡的图形剪切度量和标签分配的准确性方面取得高质量的集群。此外，我们进行S面部图像和手写字符分类的束缚，以展示现实数据集中的适用性。

由于昂贵的挖掘程序，光纤到-UTH（FTTH）网络的扩展会产生高成本。因此，优化规划过程，最大限度地减少地球挖掘工作的成本导致大量节省。在数学上，FTTH网络问题可以被描述为最小的Steiner树问题。尽管在过去的几十年中已经在集中进行了密集地进行了强烈调查了施泰纳的问题，但可以在新的计算范例和新兴方法的帮助下进一步优化。这项工作研究即将到来的技术，例如Quantum退火，模拟退火和自然启发方法，如进化算法或基于粘液模具的优化。此外，我们还调查分区和简化方法。在几个现实生活中评估，我们可以在大多数域上表达传统的广泛使用的基线（NetworkX近似求解器）。先前分区初始图和所呈现的基于粘液模具的方法对于成本有效的近似特别有价值。 Quantum退火似乎很有希望，但受到可用Qubits的数量的限制。

在本文中，我们提出了一种新方法来检测具有归因顶点的无向图中的簇。目的是将不仅在结构连接性方面，而且在属性值方面相似的顶点分组。我们通过创建[6,38]中提出的其他顶点和边缘，将顶点之间的结构和属性相似。然后将增强图嵌入到与其拉普拉斯式相关的欧几里得空间中，在该空间中，应用了修改的K-均值算法以识别簇。修改后的k均值依赖于矢量距离度量，根据每个原始顶点，我们分配了合适的矢量值坐标集，这取决于结构连接性和属性相似性，因此每个原始图顶点都被认为是$ M+1的代表增强图的$顶点，如果$ m $是顶点属性的数量。为了定义坐标矢量，我们基于自适应AMG（代数多机）方法采用了我们最近提出的算法，该方法识别了嵌入欧几里得空间中的坐标方向，以代数平滑的矢量相对于我们的增强图Laplacian，从而扩展了laplacian，从而扩展了坐标。没有属性的图形的先前结果。我们通过与一些知名方法进行比较，分析了我们提出的聚类方法的有效性，这些方法可以免费获得软件实现，并与文献中报告的结果相比，在两种不同类型的广泛使用的合成图上以及在某些现实世界中的图形上。

该博士学位论文的中心对象是在计算机科学和统计力学领域的不同名称中以不同名称而闻名的。在计算机科学中，它被称为“最大切割问题”，这是著名的21个KARP的原始NP硬性问题之一，而物理学的相同物体称为Ising Spin Glass模型。这种丰富的结构的模型通常是减少或重新制定计算机科学，物理和工程学的现实问题。但是，准确地求解此模型（查找最大剪切或基态）可能会留下一个棘手的问题（除非$ \ textit {p} = \ textit {np} $），并且需要为每一个开发临时启发式学特定的实例家庭。离散和连续优化之间的明亮而美丽的连接之一是一种基于半限定编程的圆形方案，以最大程度地切割。此过程使我们能够找到一个近乎最佳的解决方案。此外，该方法被认为是多项式时间中最好的。在本论文的前两章中，我们研究了旨在改善舍入方案的局部非凸照。在本文的最后一章中，我们迈出了一步，并旨在控制我们想要在前几章中解决的问题的解决方案。我们在Ising模型上制定了双层优化问题，在该模型中，我们希望尽可能少地调整交互作用，以使所得ISING模型的基态满足所需的标准。大流行建模出现了这种问题。我们表明，当相互作用是非负的时，我们的双层优化是在多项式时间内使用凸编程来解决的。

This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.