在过去的二十年中，我们目睹了以图形或网络形式构建的有价值的大数据的大幅增长。为了将传统的机器学习和数据分析技术应用于此类数据，有必要将图形转换为基于矢量的表示，以保留图形最重要的结构属性。为此，文献中已经提出了大量的图形嵌入方法。它们中的大多数产生了适用于各种应用的通用嵌入，例如节点聚类，节点分类，图形可视化和链接预测。在本文中，我们提出了两个新的图形嵌入算法，这些算法是基于专门为节点分类问题设计的随机步道。已设计算法的随机步行采样策略旨在特别注意集线器 - 高度节点，这些节点在大规模图中具有最关键的作用。通过分析对现实世界网络嵌入的三种分类算法的分类性能，对所提出的方法进行实验评估。获得的结果表明，与当前最流行的随机步行方法相比，我们的方法可大大提高所检查分类器的预测能力（NODE2VEC）。

局部内在维度（LID）的概念是数据维度分析的重要进步，并在数据挖掘，机器学习和相似性搜索问题中应用了。现有的基于距离的盖估计器设计用于包含欧几里得空间中向量的数据点的表格数据集。在讨论了考虑图嵌入和图形距离的图形结构数据的局限性之后，我们提出了NC-lid，这是一种与盖子相关的新型措施，用于量化最短路径距离相对于自然群落的固有区域的歧视能力。它显示了如何使用该度量来设计嵌入算法的图形图，并通过根据NC-LID值调整了Node2VEC的两个LID弹性变体。我们对NC-LID对大量实际图表的经验分析表明，该措施能够指向Node2VEC嵌入中具有高链路重建错误的节点，而不是节点中心度指标。实验评估还表明，通过在生成的嵌入中更好地保​​留图形结构，提出的盖 - 弹性节点2VEC扩展可以改善节点2VEC。

图表上的表示学习（也称为图形嵌入）显示了其对一系列机器学习应用程序（例如分类，预测和建议）的重大影响。但是，现有的工作在很大程度上忽略了现代应用程序中图和边缘的属性（或属性）中包含的丰富信息，例如，属性图表示的节点和边缘。迄今为止，大多数现有的图形嵌入方法要么仅关注具有图形拓扑的普通图，要么仅考虑节点上的属性。我们提出了PGE，这是一个图形表示学习框架，该框架将节点和边缘属性都包含到图形嵌入过程中。 PGE使用节点聚类来分配偏差来区分节点的邻居，并利用多个数据驱动的矩阵来汇总基于偏置策略采样的邻居的属性信息。 PGE采用了流行的邻里聚合归纳模型。我们通过显示PGE如何实现更好的嵌入结果的详细分析，并验证PGE的性能，而不是最新的嵌入方法嵌入方法在基准应用程序上的嵌入方法，例如节点分类和对现实世界中的链接预测数据集。

Machine learning on graphs is an important and ubiquitous task with applications ranging from drug design to friendship recommendation in social networks. The primary challenge in this domain is finding a way to represent, or encode, graph structure so that it can be easily exploited by machine learning models. Traditionally, machine learning approaches relied on user-defined heuristics to extract features encoding structural information about a graph (e.g., degree statistics or kernel functions). However, recent years have seen a surge in approaches that automatically learn to encode graph structure into low-dimensional embeddings, using techniques based on deep learning and nonlinear dimensionality reduction. Here we provide a conceptual review of key advancements in this area of representation learning on graphs, including matrix factorization-based methods, random-walk based algorithms, and graph neural networks. We review methods to embed individual nodes as well as approaches to embed entire (sub)graphs. In doing so, we develop a unified framework to describe these recent approaches, and we highlight a number of important applications and directions for future work.

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.

网络表示学习（NRL）方法在过去几年中受到了重大关注，因此由于它们在几个图形分析问题中的成功，包括节点分类，链路预测和聚类。这种方法旨在以一种保留网络的结构信息的方式将网络的每个顶点映射到低维空间中。特别感兴趣的是基于随机行走的方法;这些方法将网络转换为节点序列的集合，旨在通过预测序列内每个节点的上下文来学习节点表示。在本文中，我们介绍了一种通用框架，以增强通过基于主题信息的随机行走方法获取的节点的嵌入。类似于自然语言处理中局部单词嵌入的概念，所提出的模型首先将每个节点分配给潜在社区，并有利于各种统计图模型和社区检测方法，然后了解增强的主题感知表示。我们在两个下游任务中评估我们的方法：节点分类和链路预测。实验结果表明，通过纳入节点和社区嵌入，我们能够以广泛的广泛的基线NRL模型表明。

复杂网络分析的最新进展为不同领域的应用开辟了广泛的可能性。网络分析的功能取决于节点特征。基于拓扑的节点特征是对局部和全局空间关系和节点连接结构的实现。因此，收集有关节点特征的正确信息和相邻节点的连接结构在复杂网络分析中在节点分类和链接预测中起着最突出的作用。目前的工作介绍了一种新的特征抽象方法，即基于嵌入匿名随机步行向量上的匿名随机步行，即过渡概率矩阵（TPM）。节点特征向量由从预定义半径中的一组步行中获得的过渡概率组成。过渡概率与局部连接结构直接相关，因此正确嵌入到特征向量上。在节点识别/分类中测试了建议的嵌入方法的成功，并在三个常用的现实世界网络上进行了链接预测。在现实世界网络中，具有相似连接结构的节点很常见。因此，从类似网络中获取新网络预测的信息是一种显着特征，它使所提出的算法在跨网络概括任务方面优于最先进的算法。

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。

图形嵌入，代表数值向量的本地和全局邻域信息，是广泛的现实系统数学建模的关键部分。在嵌入算法中，事实证明，基于步行的随机算法非常成功。这些算法通过创建许多随机步行，并重新定义步骤来收集信息。创建随机步行是嵌入过程中最苛刻的部分。计算需求随着网络的规模而增加。此外，对于现实世界网络，考虑到相同基础上的所有节点，低度节点的丰度都会造成不平衡的数据问题。在这项工作中，提出了一种计算较少且节点连接性统一抽样方法。在提出的方法中，随机步行的数量与节点的程度成比例地创建。当将算法应用于大图时，所提出的算法的优点将变得更加增强。提出了使用两个网络（即Cora和Citeseer）进行比较研究。与固定数量的步行情况相比，提出的方法需要减少50％的计算工作，以达到节点分类和链接预测计算的相同精度。

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）依赖于图形结构来定义聚合策略，其中每个节点通过与邻居的信息组合来更新其表示。已知GNN的限制是，随着层数的增加，信息被平滑，压扁并且节点嵌入式变得无法区分，对性能产生负面影响。因此，实用的GNN模型雇用了几层，只能在每个节点周围的有限邻域利用图形结构。不可避免地，实际的GNN不会根据图的全局结构捕获信息。虽然有几种研究GNNS的局限性和表达性，但是关于图形结构数据的实际应用的问题需要全局结构知识，仍然没有答案。在这项工作中，我们通过向几个GNN模型提供全球信息并观察其对下游性能的影响来认证解决这个问题。我们的研究结果表明，全球信息实际上可以为共同的图形相关任务提供显着的好处。我们进一步确定了一项新的正规化策略，导致所有考虑的任务的平均准确性提高超过5％。

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.

图表神经网络（GNNS）在各种机器学习任务中获得了表示学习的提高。然而，应用邻域聚合的大多数现有GNN通常在图中的图表上执行不良，其中相邻的节点属于不同的类。在本文中，我们示出了在典型的异界图中，边缘可以被引导，以及是否像是处理边缘，也可以使它们过度地影响到GNN模型的性能。此外，由于异常的限制，节点对来自本地邻域之外的类似节点的消息非常有益。这些激励我们开发一个自适应地学习图表的方向性的模型，并利用潜在的长距离相关性节点之间。我们首先将图拉普拉斯概括为基于所提出的特征感知PageRank算法向数字化，该算法同时考虑节点之间的图形方向性和长距离特征相似性。然后，Digraph Laplacian定义了一个图形传播矩阵，导致一个名为{\ em diglaciangcn}的模型。基于此，我们进一步利用节点之间的通勤时间测量的节点接近度，以便在拓扑级别上保留节点的远距离相关性。具有不同级别的10个数据集的广泛实验，同意级别展示了我们在节点分类任务任务中对现有解决方案的有效性。

Clustering is a fundamental problem in network analysis that finds closely connected groups of nodes and separates them from other nodes in the graph, while link prediction is to predict whether two nodes in a network are likely to have a link. The definition of both naturally determines that clustering must play a positive role in obtaining accurate link prediction tasks. Yet researchers have long ignored or used inappropriate ways to undermine this positive relationship. In this article, We construct a simple but efficient clustering-driven link prediction framework(ClusterLP), with the goal of directly exploiting the cluster structures to obtain connections between nodes as accurately as possible in both undirected graphs and directed graphs. Specifically, we propose that it is easier to establish links between nodes with similar representation vectors and cluster tendencies in undirected graphs, while nodes in a directed graphs can more easily point to nodes similar to their representation vectors and have greater influence in their own cluster. We customized the implementation of ClusterLP for undirected and directed graphs, respectively, and the experimental results using multiple real-world networks on the link prediction task showed that our models is highly competitive with existing baseline models. The code implementation of ClusterLP and baselines we use are available at https://github.com/ZINUX1998/ClusterLP.

一组广泛建立的无监督节点嵌入方法可以解释为由两个独特的步骤组成：i）基于兴趣图的相似性矩阵的定义，然后是II）ii）该矩阵的明确或隐式因素化。受这个观点的启发，我们提出了框架的两个步骤的改进。一方面，我们建议根据自由能距离编码节点相似性，该自由能距离在最短路径和通勤时间距离之间进行了插值，从而提供了额外的灵活性。另一方面，我们根据损耗函数提出了一种基质分解方法，该方法将Skip-Gram模型的损失函数推广到任意相似性矩阵。与基于广泛使用的$ \ ell_2 $损失的因素化相比，该方法可以更好地保留与较高相似性分数相关的节点对。此外，它可以使用高级自动分化工具包轻松实现，并通过利用GPU资源进行有效计算。在现实世界数据集上的节点聚类，节点分类和链接预测实验证明了与最先进的替代方案相比，合并基于自由能的相似性以及所提出的矩阵分解的有效性。

时间图代表实体之间的动态关系，并发生在许多现实生活中的应用中，例如社交网络，电子商务，通信，道路网络，生物系统等。他们需要根据其生成建模和表示学习的研究超出与静态图有关的研究。在这项调查中，我们全面回顾了近期针对处理时间图提出的神经时间依赖图表的学习和生成建模方法。最后，我们确定了现有方法的弱点，并讨论了我们最近发表的论文提格的研究建议[24]。

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.

Graph Neural Networks (GNNs) have attracted increasing attention in recent years and have achieved excellent performance in semi-supervised node classification tasks. The success of most GNNs relies on one fundamental assumption, i.e., the original graph structure data is available. However, recent studies have shown that GNNs are vulnerable to the complex underlying structure of the graph, making it necessary to learn comprehensive and robust graph structures for downstream tasks, rather than relying only on the raw graph structure. In light of this, we seek to learn optimal graph structures for downstream tasks and propose a novel framework for semi-supervised classification. Specifically, based on the structural context information of graph and node representations, we encode the complex interactions in semantics and generate semantic graphs to preserve the global structure. Moreover, we develop a novel multi-measure attention layer to optimize the similarity rather than prescribing it a priori, so that the similarity can be adaptively evaluated by integrating measures. These graphs are fused and optimized together with GNN towards semi-supervised classification objective. Extensive experiments and ablation studies on six real-world datasets clearly demonstrate the effectiveness of our proposed model and the contribution of each component.

Link prediction is a key problem for network-structured data. Link prediction heuristics use some score functions, such as common neighbors and Katz index, to measure the likelihood of links. They have obtained wide practical uses due to their simplicity, interpretability, and for some of them, scalability. However, every heuristic has a strong assumption on when two nodes are likely to link, which limits their effectiveness on networks where these assumptions fail. In this regard, a more reasonable way should be learning a suitable heuristic from a given network instead of using predefined ones. By extracting a local subgraph around each target link, we aim to learn a function mapping the subgraph patterns to link existence, thus automatically learning a "heuristic" that suits the current network. In this paper, we study this heuristic learning paradigm for link prediction. First, we develop a novel γ-decaying heuristic theory. The theory unifies a wide range of heuristics in a single framework, and proves that all these heuristics can be well approximated from local subgraphs. Our results show that local subgraphs reserve rich information related to link existence. Second, based on the γ-decaying theory, we propose a new method to learn heuristics from local subgraphs using a graph neural network (GNN). Its experimental results show unprecedented performance, working consistently well on a wide range of problems.

图形嵌入是图形节点到一组向量的转换。良好的嵌入应捕获图形拓扑，节点与节点的关系以及有关图，其子图和节点的其他相关信息。如果实现了这些目标，则嵌入是网络中有意义的，可理解的，可理解的压缩表示形式，可用于其他机器学习工具，例如节点分类，社区检测或链接预测。主要的挑战是，需要确保嵌入很好地描述图形的属性。结果，选择最佳嵌入是一项具有挑战性的任务，并且通常需要领域专家。在本文中，我们在现实世界网络和人为生成的网络上进行了一系列广泛的实验，并使用选定的图嵌入算法进行了一系列的实验。根据这些实验，我们制定了两个一般结论。首先，如果需要在运行实验之前选择一种嵌入算法，则Node2Vec是最佳选择，因为它在我们的测试中表现最好。话虽如此，在所有测试中都没有单一的赢家，此外，大多数嵌入算法都具有应该调整并随机分配的超参数。因此，如果可能的话，我们对从业者的主要建议是生成几个问题的嵌入，然后使用一个通用框架，该框架为无监督的图形嵌入比较提供了工具。该框架（最近在文献中引入并在GitHub存储库中很容易获得）将分歧分数分配给嵌入，以帮助区分好的分数和不良的分数。