我们可以使用机器学习来压缩图形数据吗？在图中没有排序对传统压缩算法构成了重大挑战，限制了其可达到的收益以及他们发现相关模式的能力。另一方面，大多数图表压缩方法依赖于域依赖的手工制作表示，并且无法适应不同的底层图分布。这项工作旨在建立必要的原则，无损图形压缩方法应遵循以接近熵储存下限。我们不是对图形分布进行僵化的假设，我们将压缩机作为概率模型制定，可以从数据学习并概括到看不见的实例。我们的“分区和代码”框架需要三个步骤：首先，分区算法将图形分解为子图，然后映射到我们学习概率分布的小词典的元素，最后，熵编码器转换了表示进入比特。所有组件（分区，字典和分发）都是参数化的，可以用梯度下降训练。理论上，从温和条件下理论上比较了几个图形编码的压缩质量，并证明了PNC实现了线性或二次以顶点的数量而产生的压缩增益。经验上，PNC对不同的现实网络产生了显着的压缩改进。

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.

社区检测是网络科学中最重要的方法领域之一，在过去的几十年里引起了大量关注的方法之一。该区域处理网络的自动部门到基础构建块中，目的是提供其大规模结构的概要。尽管它的重要性和广泛的采用普及，所谓的最先进和实际在各种领域实际使用的方法之间存在明显的差距。在这里，我们试图通过根据是否具有“描述性”或“推论”目标来划分现有方法来解决这种差异。虽然描述性方法在基于社区结构的直观概念的网络中找到模式的模式，但是推理方法阐述了精确的生成模型，并尝试将其符合数据。通过这种方式，他们能够为网络形成机制提供见解，并以统计证据支持的方式与随机性的单独结构。我们审查如何使用推论目标采用描述性方法被陷入困境和误导性答案，因此应该一般而言。我们认为推理方法更通常与更清晰的科学问题一致，产生更强大的结果，并且应该是一般的首选。我们试图消除一些神话和半真半假在实践中使用社区检测时，努力改善这些方法的使用以及对结果的解释。

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。

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。

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.

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。

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。

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.

最近出现了许多子图增强图神经网络（GNN），可证明增强了标准（消息通话）GNN的表达能力。但是，对这些方法之间的相互关系和weisfeiler层次结构的关系有限。此外，当前的方法要么使用给定尺寸的所有子图，要随机均匀地对其进行采样，或者使用手工制作的启发式方法，而不是学习以数据驱动的方式选择子图。在这里，我们提供了一种统一的方法来研究此类体系结构，通过引入理论框架并扩展了亚图增强GNN的已知表达结果。具体而言，我们表明，增加子图的大小总是会增加表达能力，并通过将它们与已建立的$ k \ text { - } \ Mathsf {Wl} $ hierArchy联系起来，从而更好地理解其局限性。此外，我们还使用最近通过复杂的离散概率分布进行反向传播的方法探索了学习对子图进行采样的不同方法。从经验上讲，我们研究了不同子图增强的GNN的预测性能，表明我们的数据驱动体系结构与非DATA驱动的亚图增强图形神经网络相比，在标准基准数据集上提高了对标准基准数据集的预测准确性，同时减少了计算时间。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

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。

我们提出了对学度校正随机块模型（DCSBM）的合适性测试。该测试基于调整后的卡方统计量，用于测量$ n $多项式分布的组之间的平等性，该分布具有$ d_1，\ dots，d_n $观测值。在网络模型的背景下，多项式的数量（$ n $）的数量比观测值数量（$ d_i $）快得多，与节点$ i $的度相对应，因此设置偏离了经典的渐近学。我们表明，只要$ \ {d_i \} $的谐波平均值生长到无穷大，就可以使统计量在NULL下分配。顺序应用时，该测试也可以用于确定社区数量。该测试在邻接矩阵的压缩版本上进行操作，因此在学位上有条件，因此对大型稀疏网络具有高度可扩展性。我们结合了一个新颖的想法，即在测试$ K $社区时根据$（k+1）$ - 社区分配来压缩行。这种方法在不牺牲计算效率的情况下增加了顺序应用中的力量，我们证明了它在恢复社区数量方面的一致性。由于测试统计量不依赖于特定的替代方案，因此其效用超出了顺序测试，可用于同时测试DCSBM家族以外的各种替代方案。特别是，我们证明该测试与具有社区结构的潜在可变性网络模型的一般家庭一致。

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。

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。

Graph AutoCododers（GAE）和变分图自动编码器（VGAE）作为链接预测的强大方法出现。他们的表现对社区探测问题的印象不那么令人印象深刻，根据最近和同意的实验评估，它们的表现通常超过了诸如louvain方法之类的简单替代方案。目前尚不清楚可以通过GAE和VGAE改善社区检测的程度，尤其是在没有节点功能的情况下。此外，不确定是否可以在链接预测上同时保留良好的性能。在本文中，我们表明，可以高精度地共同解决这两个任务。为此，我们介绍和理论上研究了一个社区保留的消息传递方案，通过在计算嵌入空间时考虑初始图形结构和基于模块化的先验社区来掺杂我们的GAE和VGAE编码器。我们还提出了新颖的培训和优化策略，包括引入一个模块化的正规器，以补充联合链路预测和社区检测的现有重建损失。我们通过对各种现实世界图的深入实验验证，证明了方法的经验有效性，称为模块化感知的GAE和VGAE。

我们介绍了强大的子组发现的问题，即，找到一个关于一个或多个目标属性的脱颖而出的子集的一组可解释的描述，2）是统计上的鲁棒，并且3）非冗余。许多尝试已经挖掘了局部强壮的子组或解决模式爆炸，但我们是第一个从全球建模角度同时解决这两个挑战的爆炸。首先，我们制定广泛的模型类别的子组列表，即订购的子组，可以组成的单次组和多变量目标，该目标可以由标称或数字变量组成，并且包括其定义中的传统Top-1子组发现。这种新颖的模型类允许我们使用最小描述长度（MDL）原理来形式地形化最佳强大的子组发现，在那里我们分别为标称和数字目标的最佳归一化最大可能性和贝叶斯编码而度假。其次，正如查找最佳子组列表都是NP-Hard，我们提出了SSD ++，一个贪婪的启发式，找到了很好的子组列表，并保证了根据MDL标准的最重要的子组在每次迭代中添加，这被显示为等同于贝叶斯一个样本比例，多项式或子组之间的多项式或T检验，以及数据集边际目标分布以及多假设检测罚款。我们经验上显示了54个数据集，即SSD ++优于先前的子组设置发现方法和子组列表大小。

通常，使用网络编码在物理，生物，社会和信息科学中应用程序中复杂系统中实体之间的交互体系结构。为了研究复杂系统的大规模行为，研究网络中的中尺度结构是影响这种行为的构件。我们提出了一种新方法来描述网络中的低率中尺度结构，并使用多种合成网络模型和经验友谊，协作和蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络说明了我们的方法。我们发现，这些网络拥有相对较少的“潜在主题”，可以成功地近似固定的中尺度上网络的大多数子图。我们使用一种称为“网络词典学习”（NDL）的算法，该算法结合了网络采样方法和非负矩阵分解，以学习给定网络的潜在主题。使用一组潜在主题对网络进行编码的能力具有多种应用于网络分析任务的应用程序，例如比较，降解和边缘推理。此外，使用我们的新网络去核和重建（NDR）算法，我们演示了如何通过仅使用直接从损坏的网络中学习的潜在主题来贬低损坏的网络。

为了捕获许多社区检测问题的固有几何特征，我们建议使用一个新的社区随机图模型，我们称之为\ emph {几何块模型}。几何模型建立在\ emph {随机几何图}（Gilbert，1961）上，这是空间网络的随机图的基本模型之一，就像在ERD \ H上建立的良好的随机块模型一样{o} s-r \'{en} yi随机图。它也是受到社区发现中最新的理论和实际进步启发的随机社区模型的自然扩展。为了分析几何模型，我们首先为\ emph {Random Annulus图}提供新的连接结果，这是随机几何图的概括。自引入以来，已经研究了几何图的连通性特性，并且由于相关的边缘形成而很难分析它们。然后，我们使用随机环形图的连接结果来提供必要的条件，以有效地为几何块模型恢复社区。我们表明，一种简单的三角计数算法来检测几何模型中的社区几乎是最佳的。为此，我们考虑了两个图密度方案。在图表的平均程度随着顶点的对数增长的状态中，我们表明我们的算法在理论上和实际上都表现出色。相比之下，三角计数算法对于对数学度方案中随机块模型远非最佳。我们还查看了图表的平均度与顶点$ n $的数量线性增长的状态，因此要存储一个需要$ \ theta（n^2）$内存的图表。我们表明，我们的算法需要在此制度中仅存储$ o（n \ log n）$边缘以恢复潜在社区。

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。