几何深度学习取得了长足的进步，旨在概括从传统领域到非欧几里得群岛的结构感知神经网络的设计，从而引起图形神经网络（GNN），这些神经网络（GNN）可以应用于形成的图形结构数据，例如社会，例如，网络，生物化学和材料科学。尤其是受欧几里得对应物的启发，尤其是图形卷积网络（GCN）通过提取结构感知功能来成功处理图形数据。但是，当前的GNN模型通常受到各种现象的限制，这些现象限制了其表达能力和推广到更复杂的图形数据集的能力。大多数模型基本上依赖于通过本地平均操作对图形信号的低通滤波，从而导致过度平滑。此外，为了避免严重的过度厚度，大多数流行的GCN式网络往往是较浅的，并且具有狭窄的接收场，导致侵犯。在这里，我们提出了一个混合GNN框架，该框架将传统的GCN过滤器与通过几何散射定义的带通滤波器相结合。我们进一步介绍了一个注意框架，该框架允许该模型在节点级别上从不同过滤器的组合信息进行本地参与。我们的理论结果确定了散射过滤器的互补益处，以利用图表中的结构信息，而我们的实验显示了我们方法对各种学习任务的好处。

我们提出了一个新的图神经网络（GNN）模块，该模块基于最近提出的几何散射变换的松弛，该变换由图形小波滤波器组成。我们可学习的几何散射（腿）模块可以使小波的自适应调整能够鼓励乐队通道特征在学习的表示中出现。与许多流行的GNN相比，我们的腿部模块在GNN中的结合能够学习长期图形关系，这些GNN通常依赖于邻居之间的平滑度或相似性来编码图形结构。此外，与竞争性GNN相比，其小波先验会导致简化的架构，学到的参数明显少得多。我们证明了基于腿的网络在图形分类基准上的预测性能，以及在生化图数据探索任务中学到的功能的描述性质量。我们的结果表明，基于腿部的网络匹配或匹配流行的GNN，以及在许多数据集上，尤其是在生化域中的原始几何散射结构，同时保留了手工制作的（非学习）几何散射的某些数学特性。

We propose a geometric scattering-based graph neural network (GNN) for approximating solutions of the NP-hard maximum clique (MC) problem. We construct a loss function with two terms, one which encourages the network to find highly connected nodes and the other which acts as a surrogate for the constraint that the nodes form a clique. We then use this loss to train an efficient GNN architecture that outputs a vector representing the probability for each node to be part of the MC and apply a rule-based decoder to make our final prediction. The incorporation of the scattering transform alleviates the so-called oversmoothing problem that is often encountered in GNNs and would degrade the performance of our proposed setup. Our empirical results demonstrate that our method outperforms representative GNN baselines in terms of solution accuracy and inference speed as well as conventional solvers like Gurobi with limited time budgets. Furthermore, our scattering model is very parameter efficient with only $\sim$ 0.1\% of the number of parameters compared to previous GNN baseline models.

散射变换是一种基于多层的小波的深度学习架构，其充当卷积神经网络的模型。最近，几种作品引入了非欧几里德设置的散射变换的概括，例如图形。我们的工作通过基于非常一般的非对称小波来引入图形的窗口和非窗口几何散射变换来构建这些结构。我们表明，这些不对称的图形散射变换具有许多与其对称对应的相同的理论保证。结果，所提出的结构统一并扩展了许多现有图散射架构的已知理论结果。在这样做时，这项工作有助于通过引入具有可提供稳定性和不变性保证的大型网络，帮助弥合几何散射和其他图形神经网络之间的差距。这些结果为未来的图形结构数据奠定了基础，对具有学习过滤器的图形结构数据，并且还可以证明具有理想的理论特性。

基于光谱的图形神经网络（SGNNS）在图表表示学习中一直吸引了不断的关注。然而，现有的SGNN是限于实现具有刚性变换的曲线滤波器（例如，曲线图傅立叶或预定义的曲线波小波变换）的限制，并且不能适应驻留在手中的图形和任务上的信号。在本文中，我们提出了一种新颖的图形神经网络，实现了具有自适应图小波的曲线图滤波器。具体地，自适应图表小波通过神经网络参数化提升结构学习，其中开发了基于结构感知的提升操作（即，预测和更新操作）以共同考虑图形结构和节点特征。我们建议基于扩散小波提升以缓解通过分区非二分类图引起的结构信息损失。通过设计，得到了所得小波变换的局部和稀疏性以及提升结构的可扩展性。我们进一步通过在学习的小波中学习稀疏图表表示来引导软阈值滤波操作，从而产生局部，高效和可伸缩的基于小波的图形滤波器。为了确保学习的图形表示不变于节点排列，在网络的输入中采用层以根据其本地拓扑信息重新排序节点。我们在基准引用和生物信息图形数据集中评估节点级和图形级别表示学习任务的所提出的网络。大量实验在准确性，效率和可扩展性方面展示了在现有的SGNN上的所提出的网络的优越性。

最新提出的基于变压器的图形模型的作品证明了香草变压器用于图形表示学习的不足。要了解这种不足，需要研究变压器的光谱分析是否会揭示其对其表现力的见解。类似的研究已经确定，图神经网络（GNN）的光谱分析为其表现力提供了额外的观点。在这项工作中，我们系统地研究并建立了变压器领域中的空间和光谱域之间的联系。我们进一步提供了理论分析，并证明了变压器中的空间注意机制无法有效捕获所需的频率响应，因此，固有地限制了其在光谱空间中的表现力。因此，我们提出了feta，该框架旨在在整个图形频谱（即图形的实际频率成分）上进行注意力类似于空间空间中的注意力。经验结果表明，FETA在标准基准的所有任务中为香草变压器提供均匀的性能增益，并且可以轻松地扩展到具有低通特性的基于GNN的模型（例如GAT）。

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.

消息传递已作为设计图形神经网络（GNN）的有效工具的发展。但是，消息传递的大多数现有方法简单地简单或平均所有相邻的功能更新节点表示。它们受到两个问题的限制，即（i）缺乏可解释性来识别对GNN的预测重要的节点特征，以及（ii）特征过度混合，导致捕获长期依赖和无能为力的过度平滑问题在异质或低同质的下方处理图。在本文中，我们提出了一个节点级胶囊图神经网络（NCGNN），以通过改进的消息传递方案来解决这些问题。具体而言，NCGNN表示节点为节点级胶囊组，其中每个胶囊都提取其相应节点的独特特征。对于每个节点级胶囊，开发了一个新颖的动态路由过程，以适应适当的胶囊，以从设计的图形滤波器确定的子图中聚集。 NCGNN聚集仅有利的胶囊并限制无关的消息，以避免交互节点的过度混合特征。因此，它可以缓解过度平滑的问题，并通过同粒或异质的图表学习有效的节点表示。此外，我们提出的消息传递方案本质上是可解释的，并免于复杂的事后解释，因为图形过滤器和动态路由过程确定了节点特征的子集，这对于从提取的子分类中的模型预测最为重要。关于合成和现实图形的广泛实验表明，NCGNN可以很好地解决过度光滑的问题，并为半监视的节点分类产生更好的节点表示。它的表现优于同质和异质的艺术状态。

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.

图形神经网络（GNNS）通过考虑其内在的几何形状来扩展神经网络的成功到图形结构化数据。尽管根据图表学习基准的集合，已经对开发具有卓越性能的GNN模型进行了广泛的研究，但目前尚不清楚其探测给定模型的哪些方面。例如，他们在多大程度上测试模型利用图形结构与节点特征的能力？在这里，我们开发了一种原则性的方法来根据$ \ textit {敏感性配置文件} $进行基准测试数据集，该方法基于由于图形扰动的集合而导致的GNN性能变化了多少。我们的数据驱动分析提供了对GNN利用哪些基准测试数据特性的更深入的了解。因此，我们的分类法可以帮助选择和开发适当的图基准测试，并更好地评估未来的GNN方法。最后，我们在$ \ texttt {gtaxogym} $软件包中的方法和实现可扩展到多个图形预测任务类型和未来数据集。

The core operation of current Graph Neural Networks (GNNs) is the aggregation enabled by the graph Laplacian or message passing, which filters the neighborhood information of nodes. Though effective for various tasks, in this paper, we show that they are potentially a problematic factor underlying all GNN models for learning on certain datasets, as they force the node representations similar, making the nodes gradually lose their identity and become indistinguishable. Hence, we augment the aggregation operations with their dual, i.e. diversification operators that make the node more distinct and preserve the identity. Such augmentation replaces the aggregation with a two-channel filtering process that, in theory, is beneficial for enriching the node representations. In practice, the proposed two-channel filters can be easily patched on existing GNN methods with diverse training strategies, including spectral and spatial (message passing) methods. In the experiments, we observe desired characteristics of the models and significant performance boost upon the baselines on 9 node classification tasks.

散射变换是一种基于小波的多层转换，最初是作为卷积神经网络（CNN）的模型引入的，它在我们对这些网络稳定性和不变性属性的理解中发挥了基础作用。随后，人们普遍兴趣将CNN的成功扩展到具有非欧盟结构的数据集，例如图形和歧管，从而导致了几何深度学习的新兴领域。为了提高我们对这个新领域中使用的体系结构的理解，几篇论文提出了对非欧几里得数据结构（如无方向的图形和紧凑的Riemannian歧管）的散射转换的概括。在本文中，我们介绍了一个通用的统一模型，用于测量空间上的几何散射。我们提出的框架包括以前的几何散射作品作为特殊情况，但也适用于更通用的设置，例如有向图，签名图和带边界的歧管。我们提出了一个新标准，该标准可以识别哪些有用表示应该不变的组，并表明该标准足以确保散射变换具有理想的稳定性和不变性属性。此外，我们考虑从随机采样未知歧管获得的有限度量空间。我们提出了两种构造数据驱动图的方法，在该图上相关的图形散射转换近似于基础歧管上的散射变换。此外，我们使用基于扩散图的方法来证明这些近似值之一的收敛速率的定量估计值，因为样品点的数量趋向于无穷大。最后，我们在球形图像，有向图和高维单细胞数据上展示了方法的实用性。

图表学习目的旨在将节点内容与图形结构集成以学习节点/图表示。然而，发现许多现有的图形学习方法在具有高异性级别的数据上不能很好地工作，这是不同类标签之间很大比例的边缘。解决这个问题的最新努力集中在改善消息传递机制上。但是，尚不清楚异质性是否确实会损害图神经网络（GNNS）的性能。关键是要展现一个节点与其直接邻居之间的关系，例如它们是异性还是同质性？从这个角度来看，我们在这里研究了杂质表示在披露连接节点之间的关系之前/之后的杂音表示的作用。特别是，我们提出了一个端到端框架，该框架既学习边缘的类型（即异性/同质性），并利用边缘类型的信息来提高图形神经网络的表现力。我们以两种不同的方式实施此框架。具体而言，为了避免通过异质边缘传递的消息，我们可以通过删除边缘分类器鉴定的异性边缘来优化图形结构。另外，可以利用有关异性邻居的存在的信息进行特征学习，因此，设计了一种混合消息传递方法来汇总同质性邻居，并根据边缘分类使异性邻居多样化。广泛的实验表明，在整个同质级别的多个数据集上，通过在多个数据集上提出的框架对GNN的绩效提高了显着提高。

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.

图形神经网络（GNNS）从节点功能和输入图拓扑中利用信号来改善节点分类任务性能。然而，这些模型倾向于在异细胞图上表现不良，其中连接的节点具有不同的标记。最近提出了GNNS横跨具有不同程度的同性恋级别的图表。其中，依赖于多项式图滤波器的模型已经显示了承诺。我们观察到这些多项式图滤波器模型的解决方案也是过度确定的方程式系统的解决方案。它表明，在某些情况下，模型需要学习相当高的多项式。在调查中，我们发现由于其设计而在学习此类多项式的拟议模型。为了缓解这个问题，我们执行图表的特征分解，并建议学习作用于频谱的不同子集的多个自适应多项式滤波器。理论上和经验证明我们所提出的模型学习更好的过滤器，从而提高了分类准确性。我们研究了我们提出的模型的各个方面，包括利用潜在多项式滤波器的依义组分的数量以及节点分类任务上的各个多项式的性能的依赖性。我们进一步表明，我们的模型通过在大图中评估来扩展。我们的模型在最先进的模型上实现了高达5％的性能增益，并且通常优于现有的基于多项式滤波器的方法。

图形神经网络（GNNS）对图表上的半监督节点分类展示了卓越的性能，结果是它们能够同时利用节点特征和拓扑信息的能力。然而，大多数GNN隐含地假设曲线图中的节点和其邻居的标签是相同或一致的，其不包含在异质图中，其中链接节点的标签可能不同。因此，当拓扑是非信息性的标签预测时，普通的GNN可以显着更差，而不是在每个节点上施加多层Perceptrons（MLPS）。为了解决上述问题，我们提出了一种新的$ -laplacian基于GNN模型，称为$ ^ P $ GNN，其消息传递机制来自离散正则化框架，并且可以理论上解释为多项式图的近似值在$ p $ -laplacians的频谱域上定义过滤器。光谱分析表明，新的消息传递机制同时用作低通和高通滤波器，从而使$ ^ P $ GNNS对同性恋和异化图有效。关于现实世界和合成数据集的实证研究验证了我们的调查结果，并证明了$ ^ P $ GNN明显优于异交基准的几个最先进的GNN架构，同时在同性恋基准上实现竞争性能。此外，$ ^ p $ gnns可以自适应地学习聚合权重，并且对嘈杂的边缘具有强大。

Graph Convolutional Networks (GCNs) and their variants have experienced significant attention and have become the de facto methods for learning graph representations. GCNs derive inspiration primarily from recent deep learning approaches, and as a result, may inherit unnecessary complexity and redundant computation. In this paper, we reduce this excess complexity through successively removing nonlinearities and collapsing weight matrices between consecutive layers. We theoretically analyze the resulting linear model and show that it corresponds to a fixed low-pass filter followed by a linear classifier. Notably, our experimental evaluation demonstrates that these simplifications do not negatively impact accuracy in many downstream applications. Moreover, the resulting model scales to larger datasets, is naturally interpretable, and yields up to two orders of magnitude speedup over FastGCN.

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。

图表是一个宇宙数据结构，广泛用于组织现实世界中的数据。像交通网络，社交和学术网络这样的各种实际网络网络可以由图表代表。近年来，目睹了在网络中代表顶点的快速发展，进入低维矢量空间，称为网络表示学习。表示学习可以促进图形数据上的新算法的设计。在本调查中，我们对网络代表学习的当前文献进行了全面审查。现有算法可以分为三组：浅埋模型，异构网络嵌入模型，图形神经网络的模型。我们为每个类别审查最先进的算法，并讨论这些算法之间的基本差异。调查的一个优点是，我们系统地研究了不同类别的算法底层的理论基础，这提供了深入的见解，以更好地了解网络表示学习领域的发展。

We investigate the representation power of graph neural networks in the semisupervised node classification task under heterophily or low homophily, i.e., in networks where connected nodes may have different class labels and dissimilar features. Many popular GNNs fail to generalize to this setting, and are even outperformed by models that ignore the graph structure (e.g., multilayer perceptrons). Motivated by this limitation, we identify a set of key designs-ego-and neighbor-embedding separation, higher-order neighborhoods, and combination of intermediate representations-that boost learning from the graph structure under heterophily. We combine them into a graph neural network, H 2 GCN, which we use as the base method to empirically evaluate the effectiveness of the identified designs. Going beyond the traditional benchmarks with strong homophily, our empirical analysis shows that the identified designs increase the accuracy of GNNs by up to 40% and 27% over models without them on synthetic and real networks with heterophily, respectively, and yield competitive performance under homophily.