由于能够处理一般结构化数据，因此在图形上的机器学习方法在许多应用程序中被证明是有用的。高斯马尔可夫随机字段（GMRF）的框架提供了一种原则性的方法，可以通过利用其稀疏结构来定义图表上的高斯模型。我们为基于深GMRF的多层结构而建立的一般图表提出了一个灵活的GMRF模型，该模型最初仅针对晶格图。通过设计新类型的图层，我们使模型可以扩展到大图。该层的构建是为了使用图形神经网络的变异推理和现有软件框架进行有效的训练。对于高斯的可能性，潜在领域接近确切的贝叶斯推理。这可以通过随附的不确定性估计做出预测。通过对许多合成和现实世界数据集的实验来验证所提出的模型的有用性，在该数据集中，它与其他贝叶斯和深度学习方法进行了比较。

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.

结构方程模型（SEM）是一种有效的框架，其原因是通过定向非循环图（DAG）表示的因果关系。最近的进步使得能够从观察数据中实现了DAG的最大似然点估计。然而，在实际场景中，可以不能准确地捕获在推断下面的底层图中的不确定性，其中真正的DAG是不可识别的并且/或观察到的数据集是有限的。我们提出了贝叶斯因果发现网（BCD网），一个变分推理框架，用于估算表征线性高斯SEM的DAG的分布。由于图形的离散和组合性质，开发一个完整的贝叶斯后面是挑战。我们通过表达变分别家庭分析可扩展VI的可扩展VI的关键设计选择，例如1）表达性变分别家庭，2）连续弛豫，使低方差随机优化和3）在潜在变量上具有合适的前置。我们提供了一系列关于实际和合成数据的实验，显示BCD网在低数据制度中的标准因果发现度量上的最大似然方法，例如结构汉明距离。

Outstanding achievements of graph neural networks for spatiotemporal time series analysis show that relational constraints introduce an effective inductive bias into neural forecasting architectures. Often, however, the relational information characterizing the underlying data-generating process is unavailable and the practitioner is left with the problem of inferring from data which relational graph to use in the subsequent processing stages. We propose novel, principled - yet practical - probabilistic score-based methods that learn the relational dependencies as distributions over graphs while maximizing end-to-end the performance at task. The proposed graph learning framework is based on consolidated variance reduction techniques for Monte Carlo score-based gradient estimation, is theoretically grounded, and, as we show, effective in practice. In this paper, we focus on the time series forecasting problem and show that, by tailoring the gradient estimators to the graph learning problem, we are able to achieve state-of-the-art performance while controlling the sparsity of the learned graph and the computational scalability. We empirically assess the effectiveness of the proposed method on synthetic and real-world benchmarks, showing that the proposed solution can be used as a stand-alone graph identification procedure as well as a graph learning component of an end-to-end forecasting architecture.

尽管近期图形神经网络（GNN）成功，但常见的架构通常表现出显着的限制，包括对过天飞机，远程依赖性和杂散边缘的敏感性，例如，由于图形异常或对抗性攻击。至少部分地解决了一个简单的透明框架内的这些问题，我们考虑了一个新的GNN层系列，旨在模仿和整合两个经典迭代算法的更新规则，即近端梯度下降和迭代重复最小二乘（IRLS）。前者定义了一个可扩展的基础GNN架构，其免受过性的，而仍然可以通过允许任意传播步骤捕获远程依赖性。相反，后者产生了一种新颖的注意机制，该注意机制被明确地锚定到底层端到端能量函数，以及相对于边缘不确定性的稳定性。当结合时，我们获得了一个非常简单而强大的模型，我们在包括标准化基准，与异常扰动的图形，具有异化的图形和涉及远程依赖性的图形的不同方案的极其简单而强大的模型。在此过程中，我们与已明确为各个任务设计的SOTA GNN方法进行比较，实现竞争或卓越的节点分类准确性。我们的代码可以在https://github.com/fftyyy/twirls获得。

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.

给定图表具有部分观察到节点特征，我们如何准确估计缺失功能？特征估计是分析现实图表的关键问题，其特征在数据收集过程中通常缺少。准确的估计不仅提供了节点的多种信息，而且还支持需要全面观察节点特征的图形神经网络的推断。但是，设计一种估计高维特征的有效方法是具有挑战性的，因为它要求估算器具有较大的表示能力，从而增加过度拟合的风险。在这项工作中，我们提出了SVGA（结构化变分图自动编码器），这是一种精确的特征估计方法。 SVGA通过结构化变异推断将强固体化应用于潜在变量的分布，该变量推断将变量的先前作为基于图结构的高斯马尔可夫随机字段建模。结果，SVGA结合了概率推理和图形神经网络的优势，在实际数据集中实现了最新性能。

贝叶斯神经网络和深度集合代表了深入学习中不确定性量化的两种现代范式。然而，这些方法主要因内存低效率问题而争取，因为它们需要比其确定性对应物高出几倍的参数储存。为了解决这个问题，我们使用少量诱导重量增强每层的重量矩阵，从而将不确定性定量突出到这种低尺寸空间中。我们进一步扩展了Matheron的有条件高斯采样规则，以实现快速的重量采样，这使得我们的推理方法能够与合并相比保持合理的运行时间。重要的是，我们的方法在具有完全连接的神经网络和RESNET的预测和不确定性估算任务中实现了竞争性能，同时将参数大小减少到$单辆$ \ LEQ 24.3 \％$的参数大小神经网络。

收购用于监督学习的标签可能很昂贵。为了提高神经网络回归的样本效率，我们研究了活跃的学习方法，这些方法可以适应地选择未标记的数据进行标记。我们提出了一个框架，用于从（与网络相关的）基础内核，内核转换和选择方法中构造此类方法。我们的框架涵盖了许多基于神经网络的高斯过程近似以及非乘式方法的现有贝叶斯方法。此外，我们建议用草图的有限宽度神经切线核代替常用的最后层特征，并将它们与一种新型的聚类方法结合在一起。为了评估不同的方法，我们引入了一个由15个大型表格回归数据集组成的开源基准。我们所提出的方法的表现优于我们的基准测试上的最新方法，缩放到大数据集，并在不调整网络体系结构或培训代码的情况下开箱即用。我们提供开源代码，包括所有内核，内核转换和选择方法的有效实现，并可用于复制我们的结果。

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

因果推断对于跨业务参与，医疗和政策制定等领域的数据驱动决策至关重要。然而，关于因果发现的研究已经与推理方法分开发展，从而阻止了两个领域方法的直接组合。在这项工作中，我们开发了深层端到端因果推理（DECI），这是一种基于流动的非线性添加噪声模型，该模型具有观察数据，并且可以执行因果发现和推理，包括有条件的平均治疗效果（CATE） ）估计。我们提供了理论上的保证，即DECI可以根据标准因果发现假设恢复地面真实因果图。受应用影响的激励，我们将该模型扩展到具有缺失值的异质，混合型数据，从而允许连续和离散的治疗决策。我们的结果表明，与因果发现的相关基线相比，DECI的竞争性能和（c）在合成数据集和因果机器学习基准测试基准的一千多个实验中，跨数据类型和缺失水平进行了估计。

隐式过程（IPS）代表一个灵活的框架，可用于描述各种模型，从贝叶斯神经网络，神经抽样器和数据生成器到许多其他模型。 IP还允许在功能空间上进行大致推断。公式的这种变化解决了参数空间的固有退化问题近似推断，即参数数量及其在大型模型中的强大依赖性。为此，文献中先前的作品试图采用IPS来设置先验并近似产生的后部。但是，这被证明是一项具有挑战性的任务。现有的方法可以调整先前的IP导致高斯预测分布，该分布未能捕获重要的数据模式。相比之下，通过使用另一个IP近似后验过程产生灵活预测分布的方法不能将先前的IP调整到观察到的数据中。我们在这里建议第一个可以实现这两个目标的方法。为此，我们依赖于先前IP的诱导点表示，就像在稀疏高斯过程中所做的那样。结果是一种可扩展的方法，用于与IP的近似推断，可以将先前的IP参数调整到数据中，并提供准确的非高斯预测分布。

图形神经网络（GNNS）在提供图形结构时良好工作。但是，这种结构可能并不总是在现实世界应用中可用。该问题的一个解决方案是推断任务特定的潜在结构，然后将GNN应用于推断的图形。不幸的是，可能的图形结构的空间与节点的数量超级呈指数，因此任务特定的监督可能不足以学习结构和GNN参数。在这项工作中，我们提出了具有自我监督或拍打的邻接和GNN参数的同时学习，这是通过自我监督来推断图形结构的更多监督的方法。一个综合实验研究表明，缩小到具有数十万个节点的大图和胜过了几种模型，以便在已建立的基准上学习特定于任务的图形结构。

In the last few years, graph neural networks (GNNs) have become the standard toolkit for analyzing and learning from data on graphs. This emerging field has witnessed an extensive growth of promising techniques that have been applied with success to computer science, mathematics, biology, physics and chemistry. But for any successful field to become mainstream and reliable, benchmarks must be developed to quantify progress. This led us in March 2020 to release a benchmark framework that i) comprises of a diverse collection of mathematical and real-world graphs, ii) enables fair model comparison with the same parameter budget to identify key architectures, iii) has an open-source, easy-to-use and reproducible code infrastructure, and iv) is flexible for researchers to experiment with new theoretical ideas. As of December 2022, the GitHub repository has reached 2,000 stars and 380 forks, which demonstrates the utility of the proposed open-source framework through the wide usage by the GNN community. In this paper, we present an updated version of our benchmark with a concise presentation of the aforementioned framework characteristics, an additional medium-sized molecular dataset AQSOL, similar to the popular ZINC, but with a real-world measured chemical target, and discuss how this framework can be leveraged to explore new GNN designs and insights. As a proof of value of our benchmark, we study the case of graph positional encoding (PE) in GNNs, which was introduced with this benchmark and has since spurred interest of exploring more powerful PE for Transformers and GNNs in a robust experimental setting.

与高斯过程（GPS）的变异近似通常使用一组诱导点来形成与协方差矩阵的低级别近似值。在这项工作中，我们相反利用了精度矩阵的稀疏近似。我们提出了差异最近的邻居高斯工艺（VNNGP），该过程引入了先验，该过程仅保留在k最近的邻居观测中的相关性，从而诱导稀疏精度结构。使用变分框架，可以将VNNGP的目标分解在观测值和诱导点上，从而以O（$ k^3 $）的时间复杂性实现随机优化。因此，我们可以任意扩展诱导点大小，甚至可以在每个观察到的位置放置诱导点。我们通过各种实验将VNNGP与其他可扩展的GP进行比较，并证明VNNGP（1）可以极大地超过低级别方法，而（2）比其他最近的邻居方法较不适合过度拟合。

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。

Graph convolution is the core of most Graph Neural Networks (GNNs) and usually approximated by message passing between direct (one-hop) neighbors. In this work, we remove the restriction of using only the direct neighbors by introducing a powerful, yet spatially localized graph convolution: Graph diffusion convolution (GDC). GDC leverages generalized graph diffusion, examples of which are the heat kernel and personalized PageRank. It alleviates the problem of noisy and often arbitrarily defined edges in real graphs. We show that GDC is closely related to spectral-based models and thus combines the strengths of both spatial (message passing) and spectral methods. We demonstrate that replacing message passing with graph diffusion convolution consistently leads to significant performance improvements across a wide range of models on both supervised and unsupervised tasks and a variety of datasets. Furthermore, GDC is not limited to GNNs but can trivially be combined with any graph-based model or algorithm (e.g. spectral clustering) without requiring any changes to the latter or affecting its computational complexity. Our implementation is available online. 1

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.

我们提出了一种新的非参数混合物模型，用于多变量回归问题，灵感来自概率K-Nearthimest邻居算法。使用有条件指定的模型，对样本外输入的预测基于与每个观察到的数据点的相似性，从而产生高斯混合物表示的预测分布。在混合物组件的参数以及距离度量标准的参数上，使用平均场变化贝叶斯算法进行后推断，并具有基于随机梯度的优化过程。在与数据大小相比，输入 - 输出关系很复杂，预测分布可能偏向或多模式的情况下，输入相对较高的尺寸，该方法尤其有利。对五个数据集进行的计算研究，其中两个是合成生成的，这说明了我们的高维输入的专家混合物方法的明显优势，在验证指标和视觉检查方面都优于竞争者模型。

Graph Neural Networks (GNNs) have been predominant for graph learning tasks; however, recent studies showed that a well-known graph algorithm, Label Propagation (LP), combined with a shallow neural network can achieve comparable performance to GNNs in semi-supervised node classification on graphs with high homophily. In this paper, we show that this approach falls short on graphs with low homophily, where nodes often connect to the nodes of the opposite classes. To overcome this, we carefully design a combination of a base predictor with LP algorithm that enjoys a closed-form solution as well as convergence guarantees. Our algorithm first learns the class compatibility matrix and then aggregates label predictions using LP algorithm weighted by class compatibilities. On a wide variety of benchmarks, we show that our approach achieves the leading performance on graphs with various levels of homophily. Meanwhile, it has orders of magnitude fewer parameters and requires less execution time. Empirical evaluations demonstrate that simple adaptations of LP can be competitive in semi-supervised node classification in both homophily and heterophily regimes.