图形神经网络（GNN）在许多预测任务中表现出优于图形的优越性，因为它们在图形结构数据中捕获非线性关系的令人印象深刻。但是，对于节点分类任务，通常只观察到GNN在线性对应物上的边际改进。以前的作品对这种现象的理解很少。在这项工作中，我们求助于贝叶斯学习，以深入研究GNNS在节点分类任务中非线性的功能。鉴于从统计模型CSBM生成的图，我们观察到，给定其自身和邻居的属性的节点标签的最大a-后方估计包括两种类型的非线性，可能是节点属性和节点属性的非线性转换和来自邻居的重新激活特征聚合。后者令人惊讶地与许多GNN模型中使用的非线性类型匹配。通过进一步对节点属性施加高斯假设，我们证明，当节点属性比图形结构更具信息性时，这些relu激活的优越性才是显着的，该图与许多以前的经验观察非常匹配。当训练和测试数据集之间的节点属性分布变化时，可以实现类似的参数。最后，我们验证了关于合成和现实世界网络的理论。

Graph-based learning is a rapidly growing sub-field of machine learning with applications in social networks, citation networks, and bioinformatics. One of the most popular models is graph attention networks. They were introduced to allow a node to aggregate information from features of neighbor nodes in a non-uniform way, in contrast to simple graph convolution which does not distinguish the neighbors of a node. In this paper, we study theoretically this expected behaviour of graph attention networks. We prove multiple results on the performance of graph attention mechanism for the problem of node classification for a contextual stochastic block model. Here the node features are obtained from a mixture of Gaussians and the edges from a stochastic block model. We show that in an "easy" regime, where the distance between the means of the Gaussians is large enough, graph attention is able to distinguish inter-class from intra-class edges, and thus it maintains the weights of important edges and significantly reduces the weights of unimportant edges. Consequently, we show that this implies perfect node classification. In the "hard" regime, we show that every attention mechanism fails to distinguish intra-class from inter-class edges. We evaluate our theoretical results on synthetic and real-world data.

消息传递神经网络（MPNN）自从引入卷积神经网络以泛滥到图形结构的数据以来，人们的受欢迎程度急剧上升，现在被认为是解决各种以图形为中心的最先进的工具问题。我们研究图形分类和回归中MPNN的概括误差。我们假设不同类别的图是从不同的随机图模型中采样的。我们表明，当在从这种分布中采样的数据集上训练MPNN时，概括差距会增加MPNN的复杂性，并且不仅相对于训练样本的数量，而且还会减少节点的平均数量在图中。这表明，只要图形很大，具有高复杂性的MPNN如何从图形的小数据集中概括。概括结合是从均匀收敛结果得出的，该结果表明，应用于图的任何MPNN近似于该图离散的几何模型上应用的MPNN。

图形卷积网络（GCN）是最受欢迎的体系结构之一，用于解决分类问题，并附有图形信息。我们对图形卷积在多层网络中的影响进行了严格的理论理解。我们通过与随机块模型结合的非线性分离高斯混合模型的节点分类问题研究这些效果。首先，我们表明，单个图卷积扩展了多层网络可以至少$ 1/\ sqrt [4] {\ Mathbb {e} {\ rm veg对数据进行分类的均值之间的距离。 }} $，其中$ \ mathbb {e} {\ rm deg} $表示节点的预期度。其次，我们表明，随着图的密度稍强，两个图卷积将此因素提高到至少$ 1/\ sqrt [4] {n} $，其中$ n $是图中的节点的数量。最后，我们对网络层中不同组合的图形卷积的性能提供了理论和经验见解，得出的结论是，对于所有位置的所有组合，性能都是相互相似的。我们对合成数据和现实世界数据进行了广泛的实验，以说明我们的结果。

A central challenge of building more powerful Graph Neural Networks (GNNs) is the oversmoothing phenomenon, where increasing the network depth leads to homogeneous node representations and thus worse classification performance. While previous works have only demonstrated that oversmoothing is inevitable when the number of graph convolutions tends to infinity, in this paper, we precisely characterize the mechanism behind the phenomenon via a non-asymptotic analysis. Specifically, we distinguish between two different effects when applying graph convolutions -- an undesirable mixing effect that homogenizes node representations in different classes, and a desirable denoising effect that homogenizes node representations in the same class. By quantifying these two effects on random graphs sampled from the Contextual Stochastic Block Model (CSBM), we show that oversmoothing happens once the mixing effect starts to dominate the denoising effect, and the number of layers required for this transition is $O(\log N/\log (\log N))$ for sufficiently dense graphs with $N$ nodes. We also extend our analysis to study the effects of Personalized PageRank (PPR) on oversmoothing. Our results suggest that while PPR mitigates oversmoothing at deeper layers, PPR-based architectures still achieve their best performance at a shallow depth and are outperformed by the graph convolution approach on certain graphs. Finally, we support our theoretical results with numerical experiments, which further suggest that the oversmoothing phenomenon observed in practice may be exacerbated by the difficulty of optimizing deep GNN models.

在负面的感知问题中，我们给出了$ n $数据点$（{\ boldsymbol x} _i，y_i）$，其中$ {\ boldsymbol x} _i $是$ d $ -densional vector和$ y_i \ in \ { + 1，-1 \} $是二进制标签。数据不是线性可分离的，因此我们满足自己的内容，以找到最大的线性分类器，具有最大的\ emph {否定}余量。换句话说，我们想找到一个单位常规矢量$ {\ boldsymbol \ theta} $，最大化$ \ min_ {i \ le n} y_i \ langle {\ boldsymbol \ theta}，{\ boldsymbol x} _i \ rangle $ 。这是一个非凸优化问题（它相当于在Polytope中找到最大标准矢量），我们在两个随机模型下研究其典型属性。我们考虑比例渐近，其中$ n，d \ to \ idty $以$ n / d \ to \ delta $，并在最大边缘$ \ kappa _ {\ text {s}}（\ delta）上证明了上限和下限）$或 - 等效 - 在其逆函数$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$。换句话说，$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$是overparametization阈值：以$ n / d \ le \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa） - \ varepsilon $一个分类器实现了消失的训练错误，具有高概率，而以$ n / d \ ge \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）+ \ varepsilon $。我们在$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$匹配，以$ \ kappa \ to - \ idty $匹配。然后，我们分析了线性编程算法来查找解决方案，并表征相应的阈值$ \ delta _ {\ text {lin}}（\ kappa）$。我们观察插值阈值$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$和线性编程阈值$ \ delta _ {\ text {lin {lin}}（\ kappa）$之间的差距，提出了行为的问题其他算法。

近年来，监督学习环境的几个结果表明，古典统计学习 - 理论措施，如VC维度，不充分解释深度学习模型的性能，促使在无限宽度和迭代制度中的工作摆动。但是，对于超出监督环境之外的神经网络成功几乎没有理论解释。在本文中，我们认为，在一些分布假设下，经典学习 - 理论措施可以充分解释转导造型中的图形神经网络的概括。特别是，我们通过分析节点分类问题图卷积网络的概括性特性，对神经网络的性能进行严格分析神经网络。虽然VC维度确实导致该设置中的琐碎泛化误差界限，但我们表明转导变速器复杂性可以解释用于随机块模型的图形卷积网络的泛化特性。我们进一步使用基于转换的Rademacher复杂性的泛化误差界限来展示图形卷积和网络架构在实现较小的泛化误差方面的作用，并在图形结构可以帮助学习时提供洞察。本文的调查结果可以重新新的兴趣在学习理论措施方面对神经网络的概括，尽管在特定问题中。

随机奇异值分解（RSVD）是用于计算大型数据矩阵截断的SVD的一类计算算法。给定A $ n \ times n $对称矩阵$ \ mathbf {m} $，原型RSVD算法输出通过计算$ \ mathbf {m mathbf {m} $的$ k $引导singular vectors的近似m}^{g} \ mathbf {g} $;这里$ g \ geq 1 $是一个整数，$ \ mathbf {g} \ in \ mathbb {r}^{n \ times k} $是一个随机的高斯素描矩阵。在本文中，我们研究了一般的“信号加上噪声”框架下的RSVD的统计特性，即，观察到的矩阵$ \ hat {\ mathbf {m}} $被认为是某种真实但未知的加法扰动信号矩阵$ \ mathbf {m} $。我们首先得出$ \ ell_2 $（频谱规范）和$ \ ell_ {2 \ to \ infty} $（最大行行列$ \ ell_2 $ norm）$ \ hat {\ hat {\ Mathbf {M}} $和信号矩阵$ \ Mathbf {M} $的真实单数向量。这些上限取决于信噪比（SNR）和功率迭代$ g $的数量。观察到一个相变现象，其中较小的SNR需要较大的$ g $值以保证$ \ ell_2 $和$ \ ell_ {2 \ to \ fo \ infty} $ distances的收敛。我们还表明，每当噪声矩阵满足一定的痕量生长条件时，这些相变发生的$ g $的阈值都会很清晰。最后，我们得出了近似奇异向量的行波和近似矩阵的进入波动的正常近似。我们通过将RSVD的几乎最佳性能保证在应用于三个统计推断问题的情况下，即社区检测，矩阵完成和主要的组件分析，并使用缺失的数据来说明我们的理论结果。

Graph Neural Networks (graph NNs) are a promising deep learning approach for analyzing graph-structured data. However, it is known that they do not improve (or sometimes worsen) their predictive performance as we pile up many layers and add non-lineality. To tackle this problem, we investigate the expressive power of graph NNs via their asymptotic behaviors as the layer size tends to infinity. Our strategy is to generalize the forward propagation of a Graph Convolutional Network (GCN), which is a popular graph NN variant, as a specific dynamical system. In the case of a GCN, we show that when its weights satisfy the conditions determined by the spectra of the (augmented) normalized Laplacian, its output exponentially approaches the set of signals that carry information of the connected components and node degrees only for distinguishing nodes. Our theory enables us to relate the expressive power of GCNs with the topological information of the underlying graphs inherent in the graph spectra. To demonstrate this, we characterize the asymptotic behavior of GCNs on the Erdős -Rényi graph. We show that when the Erdős -Rényi graph is sufficiently dense and large, a broad range of GCNs on it suffers from the "information loss" in the limit of infinite layers with high probability. Based on the theory, we provide a principled guideline for weight normalization of graph NNs. We experimentally confirm that the proposed weight scaling enhances the predictive performance of GCNs in real data 1 .

Network data are ubiquitous in modern machine learning, with tasks of interest including node classification, node clustering and link prediction. A frequent approach begins by learning an Euclidean embedding of the network, to which algorithms developed for vector-valued data are applied. For large networks, embeddings are learned using stochastic gradient methods where the sub-sampling scheme can be freely chosen. Despite the strong empirical performance of such methods, they are not well understood theoretically. Our work encapsulates representation methods using a subsampling approach, such as node2vec, into a single unifying framework. We prove, under the assumption that the graph is exchangeable, that the distribution of the learned embedding vectors asymptotically decouples. Moreover, we characterize the asymptotic distribution and provided rates of convergence, in terms of the latent parameters, which includes the choice of loss function and the embedding dimension. This provides a theoretical foundation to understand what the embedding vectors represent and how well these methods perform on downstream tasks. Notably, we observe that typically used loss functions may lead to shortcomings, such as a lack of Fisher consistency.

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。

Popular iterative algorithms such as boosting methods and coordinate descent on linear models converge to the maximum $\ell_1$-margin classifier, a.k.a. sparse hard-margin SVM, in high dimensional regimes where the data is linearly separable. Previous works consistently show that many estimators relying on the $\ell_1$-norm achieve improved statistical rates for hard sparse ground truths. We show that surprisingly, this adaptivity does not apply to the maximum $\ell_1$-margin classifier for a standard discriminative setting. In particular, for the noiseless setting, we prove tight upper and lower bounds for the prediction error that match existing rates of order $\frac{\|\wgt\|_1^{2/3}}{n^{1/3}}$ for general ground truths. To complete the picture, we show that when interpolating noisy observations, the error vanishes at a rate of order $\frac{1}{\sqrt{\log(d/n)}}$. We are therefore first to show benign overfitting for the maximum $\ell_1$-margin classifier.

这项工作提供了有关图消息传递神经网络（GMPNNS）（例如图形神经网络（GNNS））的第一个理论研究，以执行归纳性脱离分布（OOD）链接预测任务，在部署（测试）（测试））图大小比训练图大。我们首先证明了非反应界限，表明基于GMPNN获得的基于置换 - 等值的（结构）节点嵌入的链接预测变量可以随着测试图变大，可以收敛到随机猜测。然后，我们提出了一个理论上的GMPNN，该GMPNN输出结构性成对（2节点）嵌入，并证明非扰动边界表明，随着测试图的增长，这些嵌入量会收敛到连续函数的嵌入，以保留其预测链接的能力。随机图上的经验结果表明与我们的理论结果一致。

高维统计数据的一个基本目标是检测或恢复嘈杂数据中隐藏的种植结构（例如低级别矩阵）。越来越多的工作研究低级多项式作为此类问题的计算模型的限制模型：在各种情况下，数据的低级多项式可以与最知名的多项式时间算法的统计性能相匹配。先前的工作已经研究了低度多项式的力量，以检测隐藏结构的存在。在这项工作中，我们将这些方法扩展到解决估计和恢复问题（而不是检测）。对于大量的“信号加噪声”问题，我们给出了一个用户友好的下限，以获得最佳的均衡误差。据我们所知，这些是建立相关检测问题的恢复问题低度硬度的第一个结果。作为应用，我们对种植的子静脉和种植的密集子图问题的低度最小平方误差进行了严格的特征，在两种情况下都解决了有关恢复的计算复杂性的开放问题（在低度框架中）。

我们获得了具有重尾分布的独立和相同分布的随机变量的总和。我们的浓度结果与随机变量有关，其分布满足$ \ mathbb {p}（x> t）\ leq {\ rm e}^{ - i（t）} $，其中$ i：\ mathbb {r} \ rightarrow\ mathbb {r} $是一个增加的功能，$ i（t）/t \ rightArrow \ alpha \ in [0，\ infty）$ as $ t \ rightArrow \ rightArrow \ infty $。我们的主要定理不仅可以恢复一些现有结果，例如亚韦伯随机变量的总和的浓度，而且还可以为带有较重尾巴的随机变量的总和产生新的结果。我们表明，我们获得的浓度不平等足以为独立随机变量的总和提供较大的偏差结果。我们的基于标准截断参数的分析简化，统一和推广有关重尾随机变量的浓度和较大偏差的现有结果。

我们研究了情节块MDP中模型估计和无奖励学习的问题。在这些MDP中，决策者可以访问少数潜在状态产生的丰富观察或上下文。我们首先对基于固定行为策略生成的数据估算潜在状态解码功能（从观测到潜在状态的映射）感兴趣。我们在估计此功能的错误率上得出了信息理论的下限，并提出了接近此基本限制的算法。反过来，我们的算法还提供了MDP的所有组件的估计值。然后，我们研究在无奖励框架中学习近乎最佳政策的问题。根据我们有效的模型估计算法，我们表明我们可以以最佳的速度推断出策略（随着收集样品的数量增长大）的最佳策略。有趣的是，我们的分析提供了必要和充分的条件，在这些条件下，利用块结构可以改善样本复杂性，以识别近乎最佳的策略。当满足这些条件时，Minimax无奖励设置中的样本复杂性将通过乘法因子$ n $提高，其中$ n $是可能的上下文数量。

We consider the problem of estimating a multivariate function $f_0$ of bounded variation (BV), from noisy observations $y_i = f_0(x_i) + z_i$ made at random design points $x_i \in \mathbb{R}^d$, $i=1,\ldots,n$. We study an estimator that forms the Voronoi diagram of the design points, and then solves an optimization problem that regularizes according to a certain discrete notion of total variation (TV): the sum of weighted absolute differences of parameters $\theta_i,\theta_j$ (which estimate the function values $f_0(x_i),f_0(x_j)$) at all neighboring cells $i,j$ in the Voronoi diagram. This is seen to be equivalent to a variational optimization problem that regularizes according to the usual continuum (measure-theoretic) notion of TV, once we restrict the domain to functions that are piecewise constant over the Voronoi diagram. The regression estimator under consideration hence performs (shrunken) local averaging over adaptively formed unions of Voronoi cells, and we refer to it as the Voronoigram, following the ideas in Koenker (2005), and drawing inspiration from Tukey's regressogram (Tukey, 1961). Our contributions in this paper span both the conceptual and theoretical frontiers: we discuss some of the unique properties of the Voronoigram in comparison to TV-regularized estimators that use other graph-based discretizations; we derive the asymptotic limit of the Voronoi TV functional; and we prove that the Voronoigram is minimax rate optimal (up to log factors) for estimating BV functions that are essentially bounded.

由于在数据稀缺的设置中，交叉验证的性能不佳，我们提出了一个新颖的估计器，以估计数据驱动的优化策略的样本外部性能。我们的方法利用优化问题的灵敏度分析来估计梯度关于数据中噪声量的最佳客观值，并利用估计的梯度将策略的样本中的表现为依据。与交叉验证技术不同，我们的方法避免了为测试集牺牲数据，在训练和因此非常适合数据稀缺的设置时使用所有数据。我们证明了我们估计量的偏见和方差范围，这些问题与不确定的线性目标优化问题，但已知的，可能是非凸的，可行的区域。对于更专业的优化问题，从某种意义上说，可行区域“弱耦合”，我们证明结果更强。具体而言，我们在估算器的错误上提供明确的高概率界限，该估计器在策略类别上均匀地保持，并取决于问题的维度和策略类的复杂性。我们的边界表明，在轻度条件下，随着优化问题的尺寸的增长，我们的估计器的误差也会消失，即使可用数据的量仍然很小且恒定。说不同的是，我们证明我们的估计量在小型数据中的大规模政权中表现良好。最后，我们通过数值将我们提出的方法与最先进的方法进行比较，通过使用真实数据调度紧急医疗响应服务的案例研究。我们的方法提供了更准确的样本外部性能估计，并学习了表现更好的政策。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

我们系统地{研究基于内核的图形laplacian（gl）的光谱}，该图在非null设置中由高维和嘈杂的随机点云构成，其中点云是从低维几何对象（如歧管）中采样的，被高维噪音破坏。我们量化了信号和噪声在信号噪声比（SNR）的不同状态下如何相互作用，并报告GL的{所产生的特殊光谱行为}。此外，我们还探索了GL频谱上的内核带宽选择，而SNR的不同状态则导致带宽的自适应选择，这与实际数据中的共同实践相吻合。该结果为数据集嘈杂时的从业人员提供了理论支持。