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。

图形内核是历史上最广泛使用的图形分类任务的技术。然而，由于图的手工制作的组合特征，这些方法具有有限的性能。近年来，由于其性能卓越，图形神经网络（GNNS）已成为与下游图形相关任务的最先进的方法。大多数GNN基于消息传递神经网络（MPNN）框架。然而，最近的研究表明，MPNN不能超过Weisfeiler-Lehman（WL）算法在图形同构术中的力量。为了解决现有图形内核和GNN方法的限制，在本文中，我们提出了一种新的GNN框架，称为\ Texit {内核图形神经网络}（Kernnns），该框架将图形内核集成到GNN的消息传递过程中。通过卷积神经网络（CNNS）中的卷积滤波器的启发，KERGNNS采用可训练的隐藏图作为绘图过滤器，该绘图过滤器与子图组合以使用图形内核更新节点嵌入式。此外，我们表明MPNN可以被视为Kergnns的特殊情况。我们将Kergnns应用于多个与图形相关的任务，并使用交叉验证来与基准进行公平比较。我们表明，与现有的现有方法相比，我们的方法达到了竞争性能，证明了增加GNN的表现能力的可能性。我们还表明，KERGNNS中的训练有素的图形过滤器可以揭示数据集的本地图形结构，与传统GNN模型相比，显着提高了模型解释性。

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。

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。

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.

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。

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。

Graph Neural Networks (GNNs) are an effective framework for representation learning of graphs. GNNs follow a neighborhood aggregation scheme, where the representation vector of a node is computed by recursively aggregating and transforming representation vectors of its neighboring nodes. Many GNN variants have been proposed and have achieved state-of-the-art results on both node and graph classification tasks. However, despite GNNs revolutionizing graph representation learning, there is limited understanding of their representational properties and limitations. Here, we present a theoretical framework for analyzing the expressive power of GNNs to capture different graph structures. Our results characterize the discriminative power of popular GNN variants, such as Graph Convolutional Networks and GraphSAGE, and show that they cannot learn to distinguish certain simple graph structures. We then develop a simple architecture that is provably the most expressive among the class of GNNs and is as powerful as the Weisfeiler-Lehman graph isomorphism test. We empirically validate our theoretical findings on a number of graph classification benchmarks, and demonstrate that our model achieves state-of-the-art performance. * Equal contribution. † Work partially performed while in Tokyo, visiting Prof. Ken-ichi Kawarabayashi.

In recent years, graph neural networks (GNNs) have emerged as a promising tool for solving machine learning problems on graphs. Most GNNs are members of the family of message passing neural networks (MPNNs). There is a close connection between these models and the Weisfeiler-Leman (WL) test of isomorphism, an algorithm that can successfully test isomorphism for a broad class of graphs. Recently, much research has focused on measuring the expressive power of GNNs. For instance, it has been shown that standard MPNNs are at most as powerful as WL in terms of distinguishing non-isomorphic graphs. However, these studies have largely ignored the distances between the representations of nodes/graphs which are of paramount importance for learning tasks. In this paper, we define a distance function between nodes which is based on the hierarchy produced by the WL algorithm, and propose a model that learns representations which preserve those distances between nodes. Since the emerging hierarchy corresponds to a tree, to learn these representations, we capitalize on recent advances in the field of hyperbolic neural networks. We empirically evaluate the proposed model on standard node and graph classification datasets where it achieves competitive performance with state-of-the-art models.

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.

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。

近年来，图形神经网络（GNNS）被出现为一个强大的神经结构，以学习在监督的端到端时尚中的节点和图表的矢量表示。到目前为止，只有经验评估GNNS - 显示有希望的结果。以下工作从理论的角度调查了GNN，并将它们与1美元 - 二维韦斯美犬 - Leman Graph同构Heuristic（1美元-WL）相关联。我们表明GNNS在区分非同义（子）图表中，GNN具有与1美元-WL相同的表现力。因此，这两种算法也具有相同的缺点。基于此，我们提出了GNN的概括，所谓的$ k $ -dimensional gnns（$ k $ -gnns），这可以考虑多个尺度的高阶图结构。这些高阶结构在社交网络和分子图的表征中起重要作用。我们的实验评估证实了我们的理论调查结果，并确认了更高阶信息在图形分类和回归的任务中有用。

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。

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。

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.

图形神经网络（GNNS）最流行的设计范例是1跳消息传递 - 反复反复从1跳邻居聚集特征。但是，1-HOP消息传递的表达能力受Weisfeiler-Lehman（1-WL）测试的界定。最近，研究人员通过同时从节点的K-Hop邻居汇总信息传递到K-HOP消息。但是，尚无分析K-Hop消息传递的表达能力的工作。在这项工作中，我们从理论上表征了K-Hop消息传递的表达力。具体而言，我们首先正式区分了两种k-hop消息传递的内核，它们在以前的作品中经常被滥用。然后，我们通过表明它比1-Hop消息传递更强大，从而表征了K-Hop消息传递的表现力。尽管具有较高的表达能力，但我们表明K-Hop消息传递仍然无法区分一些简单的常规图。为了进一步增强其表现力，我们引入了KP-GNN框架，该框架通过利用每个跳跃中的外围子图信息来改善K-HOP消息。我们证明，KP-GNN可以区分几乎所有常规图，包括一些距离常规图，这些图无法通过以前的距离编码方法来区分。实验结果验证了KP-GNN的表达能力和有效性。 KP-GNN在所有基准数据集中都取得了竞争成果。

尽管（消息通话）图形神经网络在图形或一般关系数据上近似置换量等函数方面具有明显的局限性，但更具表现力的高阶图神经网络不会扩展到大图。他们要么在$ k $ - 订单张量子上操作，要么考虑所有$ k $ - 节点子图，这意味着在内存需求中对$ k $的指数依赖，并且不适合图形的稀疏性。通过为图同构问题引入新的启发式方法，我们设计了一类通用的，置换式的图形网络，与以前的体系结构不同，该网络在表达性和可伸缩性之间提供了细粒度的控制，并适应了图的稀疏性。这些体系结构与监督节点和图形级别的标准高阶网络以及回归体系中的标准高阶图网络相比大大减少了计算时间，同时在预测性能方面显着改善了标准图神经网络和图形内核体系结构。

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。

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.

消息传递神经网络（MPNNs）是格拉夫神经网络（GNN）的一个常见的类型，其中，每个节点的表示是通过聚集从表示其直接邻居（消息）类似于一个星形图案递归计算。 MPNNs的呼吁是有效的，可扩展的，怎么样，曾经它们的表现是由一阶Weisfeiler雷曼同构测试（1-WL）的上界。对此，之前的作品提出在可扩展性的成本极富表现力的模型，有时泛化性能。我们的工作表示这两个政权：我们介绍抬升任何MPNN更加传神，具有可扩展性有限的开销，大大提高了实用性能的总体框架。我们从星星图案一般的子模式（例如，K-egonets）在MPNNs扩展本地聚合实现这一点：在我们的框架中，每个节点表示被计算为周边诱发子的编码，而不是唯一的近邻编码（即一个明星）。我们选择子编码器是一个GNN（主要是MPNNs，考虑到可扩展性）来设计用作一个包装掀任何GNN的总体框架。我们把我们提出的方法GNN-AK（GNN为核心），作为框架用GNNS更换内核类似于卷积神经网络。从理论上讲，我们表明，我们的框架比1和2-WL确实更强大，并且不超过3-WL那么强大。我们还设计子取样策略，可大大降低内存占用和提高速度的同时保持性能。我们的方法将大利润率多家知名图形ML任务新的国家的最先进的性能;具体地，0.08 MAE锌，74.79％和86.887％的准确度上CIFAR10和分别PATTERN。