对于学习图表表示，并非图中的所有详细结构都与给定的图形任务相关。与任务相关的结构可以是$本地化的$或$稀疏$，仅参与子图或以子图的交互作用（层次结构的角度）。图神经网络应该能够有效提取与任务相关的结构并与无关的部分不变，这对于通用消息传递GNN来说是具有挑战性的。在这项工作中，我们建议从原始图的一系列子图中学习图表表示，以更好地捕获与任务相关的子结构或分层结构，并跳过$ noisy $零件。为此，我们设计了软遮罩GNN层，以通过掩模机制提取所需的子图。软遮罩是在连续空间中定义的，以维持不同部分的重量并表征不同部分的权重。与现有的子图或分层表示方法和图形合并操作相比，软掩模GNN层不受固定样品或降低比率的限制，因此更灵活地提取具有任意尺寸的子图。公共图基准测试的广泛实验表明，软罩机制可以提高性能。它还提供了可解释性，使每个层中掩码的值可视化，使我们能够深入了解模型所学的结构。

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.

图表神经网络（GNNS）最近提出了用于处理图形结构数据的神经网络结构。由于他们所采用的邻国聚合策略，现有的GNNS专注于捕获节点级信息并忽略高级信息。因此，现有的GNN受到本地置换不变性（LPI）问题引起的代表性限制。为了克服这些限制并丰富GNN捕获的特征，我们提出了一种新的GNN框架，称为两级GNN（TL-GNN）。这与节点级信息合并子图级信息。此外，我们提供了对LPI问题的数学分析，这表明子图级信息有利于克服与LPI相关的问题。还提出了一种基于动态编程算法的子图计数方法，并且该具有时间复杂度是O（n ^ 3），n是图的节点的数量。实验表明，TL-GNN优于现有的GNN，实现了最先进的性能。

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。

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。

Recent deep learning approaches for representation learning on graphs follow a neighborhood aggregation procedure. We analyze some important properties of these models, and propose a strategy to overcome those. In particular, the range of "neighboring" nodes that a node's representation draws from strongly depends on the graph structure, analogous to the spread of a random walk. To adapt to local neighborhood properties and tasks, we explore an architecture -jumping knowledge (JK) networks -that flexibly leverages, for each node, different neighborhood ranges to enable better structure-aware representation. In a number of experiments on social, bioinformatics and citation networks, we demonstrate that our model achieves state-of-the-art performance. Furthermore, combining the JK framework with models like Graph Convolutional Networks, GraphSAGE and Graph Attention Networks consistently improves those models' performance.

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.

图形神经网络（GNN）在学习强大的节点表示中显示了令人信服的性能，这些表现在保留节点属性和图形结构信息的强大节点表示中。然而，许多GNNS在设计有更深的网络结构或手柄大小的图形时遇到有效性和效率的问题。已经提出了几种采样算法来改善和加速GNN的培训，但他们忽略了解GNN性能增益的来源。图表数据中的信息的测量可以帮助采样算法来保持高价值信息，同时消除冗余信息甚至噪声。在本文中，我们提出了一种用于GNN的公制引导（MEGUIDE）子图学习框架。 MEGUIDE采用两种新颖的度量：功能平滑和连接失效距离，以指导子图采样和迷你批次的培训。功能平滑度专为分析节点的特征而才能保留最有价值的信息，而连接失败距离可以测量结构信息以控制子图的大小。我们展示了MEGUIDE在多个数据集上培训各种GNN的有效性和效率。

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.

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。

图形神经网络已成为从图形结构数据学习的不可缺少的工具之一，并且它们的实用性已在各种各样的任务中显示。近年来，建筑设计的巨大改进，导致各种预测任务的性能更好。通常，这些神经架构在同一层中使用可知的权重矩阵组合节点特征聚合和特征转换。这使得分析从各种跳过的节点特征和神经网络层的富有效力来挑战。由于不同的图形数据集显示在特征和类标签分布中的不同级别和异常级别，因此必须了解哪些特征对于没有任何先前信息的预测任务是重要的。在这项工作中，我们将节点特征聚合步骤和深度与图形神经网络分离，并经验分析了不同的聚合特征在预测性能中发挥作用。我们表明，并非通过聚合步骤生成的所有功能都很有用，并且通常使用这些较少的信息特征可能对GNN模型的性能有害。通过我们的实验，我们表明学习这些功能的某些子集可能会导致各种数据集的性能更好。我们建议使用Softmax作为常规器，并从不同跳距的邻居聚合的功能的“软选择器”;和L2 - GNN层的标准化。结合这些技术，我们呈现了一个简单浅的模型，特征选择图神经网络（FSGNN），并经验展示所提出的模型比九个基准数据集中的最先进的GNN模型实现了可比或甚至更高的准确性节点分类任务，具有显着的改进，可达51.1％。

变压器架构最近在图表表示学习中引起了人们的注意，因为它自然地克服了图神经网络（GNN）的几个局限性，避免了它们严格的结构电感偏置，而仅通过位置编码来编码图形结构。在这里，我们表明，具有位置编码的变压器生成的节点表示不一定捕获它们之间的结构相似性。为了解决这个问题，我们提出了结构感知的变压器，这是一类简单而灵活的图形变压器，建立在新的自我发项机制的基础上。这一新的自我注意力通过在计算注意力之前提取植根于每个节点的子图表来结合结构信息。我们提出了几种自动生成子图表表示的方法，并从理论上说明结果表示至少与子图表一样表现力。从经验上讲，我们的方法在五个图预测基准上实现了最先进的性能。我们的结构感知框架可以利用任何现有的GNN提取子图表表示，我们表明它系统地改善了相对于基本GNN模型的性能，成功地结合了GNN和变形金刚的优势。我们的代码可在https://github.com/borgwardtlab/sat上找到。

图表神经网络（GNN）已被广泛用于学习图形结构数据的矢量表示，并实现比传统方法更好的任务性能。 GNN的基础是消息传递过程，它将节点中的信息传播到其邻居。由于该过程每层进行一个步骤，因此节点之间的信息传播的范围在下层中很小，并且它朝向更高的层扩展。因此，GNN模型必须深入地捕获图中的全局结构信息。另一方面，众所周知，深入的GNN模型遭受性能下降，因为它们丢失了节点的本地信息，这对于良好的模型性能至关重要，通过许多消息传递步骤。在本研究中，我们提出了用于图形级分类任务的多级注意汇总（MLAP），这可以适应图表中的本地和全局结构信息。对于每个消息传递步骤，它具有注意池层，通过统一层方格图表示来计算最终图表示。 MLAP架构允许模型利用具有多个级别的本地图形的结构信息，因为它在由于过度的过天气丢失时保留了层面信息。我们的实验结果表明，与基线架构相比，MLAP架构提高了图形分类性能。此外，图表表示的分析表明，来自多个级别的地方的聚合信息确实具有提高学习图表表示的可怜的潜力。

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。

图表可以模拟实体之间的复杂交互，它在许多重要的应用程序中自然出现。这些应用程序通常可以投入到标准图形学习任务中，其中关键步骤是学习低维图表示。图形神经网络（GNN）目前是嵌入方法中最受欢迎的模型。然而，邻域聚合范例中的标准GNN患有区分\ EMPH {高阶}图形结构的有限辨别力，而不是\ EMPH {低位}结构。为了捕获高阶结构，研究人员求助于主题和开发的基于主题的GNN。然而，现有的基于主基的GNN仍然仍然遭受较少的辨别力的高阶结构。为了克服上述局限性，我们提出了一个新颖的框架，以更好地捕获高阶结构的新框架，铰接于我们所提出的主题冗余最小化操作员和注射主题组合的新颖框架。首先，MGNN生成一组节点表示W.R.T.每个主题。下一阶段是我们在图案中提出的冗余最小化，该主题在彼此相互比较并蒸馏出每个主题的特征。最后，MGNN通过组合来自不同图案的多个表示来执行节点表示的更新。特别地，为了增强鉴别的功率，MGNN利用重新注射功能来组合表示的函数w.r.t.不同的主题。我们进一步表明，我们的拟议体系结构增加了GNN的表现力，具有理论分析。我们展示了MGNN在节点分类和图形分类任务上的七个公共基准上表现出最先进的方法。

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。

图形神经网络（GNNS）在各种基于图形的应用中显示了优势。大多数现有的GNNS假设图形结构的强大奇妙并应用邻居的置换不变本地聚合以学习每个节点的表示。然而，它们未能概括到异质图，其中大多数相邻节点具有不同的标签或特征，并且相关节点远处。最近的几项研究通过组合中央节点的隐藏表示（即，基于多跳的方法）的多个跳数来解决这个问题，或者基于注意力分数对相邻节点进行排序（即，基于排名的方法）来解决这个问题。结果，这些方法具有一些明显的限制。一方面，基于多跳的方法没有明确区分相关节点的大量多跳社区，导致严重的过平滑问题。另一方面，基于排名的模型不与结束任务进行联合优化节点排名，并导致次优溶液。在这项工作中，我们呈现图表指针神经网络（GPNN）来解决上述挑战。我们利用指针网络从大量的多跳邻域选择最相关的节点，这根据与中央节点的关系来构造有序序列。然后应用1D卷积以从节点序列中提取高级功能。 GPNN中的基于指针网络的Ranker是以端到端的方式与其他部件进行联合优化的。在具有异质图的六个公共节点分类数据集上进行了广泛的实验。结果表明，GPNN显着提高了最先进方法的分类性能。此外，分析还揭示了拟议的GPNN在过滤出无关邻居并减少过平滑的特权。

这项工作考虑了在属性关系图（ARG）上表示表示的任务。 ARG中的节点和边缘都与属性/功能相关联，允许ARG编码在实际应用中广泛观察到的丰富结构信息。现有的图形神经网络提供了有限的能力，可以在局部结构环境中捕获复杂的相互作用，从而阻碍他们利用ARG的表达能力。我们提出了Motif卷积模块（MCM），这是一种新的基于基线的图表表示技术，以更好地利用本地结构信息。处理连续边缘和节点功能的能力是MCM比现有基于基础图案的模型的优势之一。 MCM以无监督的方式构建了一个主题词汇，并部署了一种新型的主题卷积操作，以提取单个节点的局部结构上下文，然后将其用于通过多层perceptron学习高级节点表示，并在图神经网络中传递消息。与其他图形学习方法进行分类的合成图相比，我们的方法在捕获结构环境方面要好得多。我们还通过将其应用于几个分子基准来证明我们方法的性能和解释性优势。

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。

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。