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。

近年来，基于Weisfeiler-Leman算法的算法和神经架构，是图形同构的着名启发式问题，它被成为具有图形和关系数据的（监督）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使用。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分类，讨论最近的扩展，以及其与神经结构的连接。此外，我们概述了当前的应用和未来方向，以刺激研究。

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。

尽管（消息通话）图形神经网络在图形或一般关系数据上近似置换量等函数方面具有明显的局限性，但更具表现力的高阶图神经网络不会扩展到大图。他们要么在$ k $ - 订单张量子上操作，要么考虑所有$ k $ - 节点子图，这意味着在内存需求中对$ k $的指数依赖，并且不适合图形的稀疏性。通过为图同构问题引入新的启发式方法，我们设计了一类通用的，置换式的图形网络，与以前的体系结构不同，该网络在表达性和可伸缩性之间提供了细粒度的控制，并适应了图的稀疏性。这些体系结构与监督节点和图形级别的标准高阶网络以及回归体系中的标准高阶图网络相比大大减少了计算时间，同时在预测性能方面显着改善了标准图神经网络和图形内核体系结构。

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.

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。

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。

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。

子图GNNS是最近表达的图形神经网络（GNN）的一类，它们将图形图形为子图的集合。到目前为止，可能的子图GNN体系结构的设计空间及其基本理论属性仍然在很大程度上尚未探索。在本文中，我们研究了子图方法的最突出形式，该方法采用了基于节点的子图选择策略，例如自我网络或节点标记和删除。我们解决了两个中心问题：（1）这些方法的表达能力的上限是什么？ （2）在这些子图集上传递层的模棱两可的消息家族是什么？我们回答这些问题的第一步是一种新颖的对称分析，该分析表明，建模基于节点的子图集的对称性需要比以前的作品中所采用的对称组明显小。然后，该分析用于建立子图GNN和不变图网络（IGNS）之间的联系。我们通过首先通过3-WL来界定子图方法的表达能力，然后提出一个通用子图方法的一般家族，以将所有先前基于节点的子图GNN泛化。最后，我们设计了一个新颖的子图Gnn称为Sun，从理论上讲，该子gnn统一了以前的体系结构，同时在多个基准上提供了更好的经验性能。

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.

Knowledge graphs, modeling multi-relational data, improve numerous applications such as question answering or graph logical reasoning. Many graph neural networks for such data emerged recently, often outperforming shallow architectures. However, the design of such multi-relational graph neural networks is ad-hoc, driven mainly by intuition and empirical insights. Up to now, their expressivity, their relation to each other, and their (practical) learning performance is poorly understood. Here, we initiate the study of deriving a more principled understanding of multi-relational graph neural networks. Namely, we investigate the limitations in the expressive power of the well-known Relational GCN and Compositional GCN architectures and shed some light on their practical learning performance. By aligning both architectures with a suitable version of the Weisfeiler-Leman test, we establish under which conditions both models have the same expressive power in distinguishing non-isomorphic (multi-relational) graphs or vertices with different structural roles. Further, by leveraging recent progress in designing expressive graph neural networks, we introduce the $k$-RN architecture that provably overcomes the expressiveness limitations of the above two architectures. Empirically, we confirm our theoretical findings in a vertex classification setting over small and large multi-relational graphs.

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.

我们研究了图形表示学习的量子电路，并提出了等级的量子图电路（EQGCS），作为一类参数化量子电路，具有强大的关系感应偏压，用于学习图形结构数据。概念上，EQGCS作为量子图表表示学习的统一框架，允许我们定义几个有趣的子类，其中包含了现有的提案。就代表性权力而言，我们证明了感兴趣的子类是界限图域中的函数的普遍近似器，并提供实验证据。我们对量子图机学习方法的理论透视开启了许多方向以进行进一步的工作，可能导致具有超出古典方法的能力的模型。

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。

图形神经网络（GNNS）的表现力量受到限制，具有远程交互的斗争，缺乏模拟高阶结构的原则性方法。这些问题可以归因于计算图表和输入图结构之间的强耦合。最近提出的消息通过单独的网络通过执行图形的Clique复合物的消息来自然地解耦这些元素。然而，这些模型可能受到单纯复合物（SCS）的刚性组合结构的严重限制。在这项工作中，我们将最近的基于常规细胞复合物的理论结果扩展到常规细胞复合物，灵活地满满SCS和图表的拓扑物体。我们表明，该概括提供了一组强大的图表“提升”转换，每个图形是导致唯一的分层消息传递过程。我们集体呼叫CW Networks（CWNS）的结果方法比WL测试更强大，而不是比3 WL测试更强大。特别是，当应用于分子图问题时，我们证明了一种基于环的一个这样的方案的有效性。所提出的架构从可提供的较大的表达效益于常用的GNN，高阶信号的原则建模以及压缩节点之间的距离。我们展示了我们的模型在各种分子数据集上实现了最先进的结果。

在本文中，我们提供了一种使用图形神经网络（GNNS）的理论，用于多节点表示学习（我们有兴趣学习一组多个节点的表示）。我们知道GNN旨在学习单节点表示。当我们想学习涉及多个节点的节点集表示时，先前作品中的常见做法是直接将GNN学习的多节点表示与节点集的关节表示。在本文中，我们显示了这种方法的基本限制，即无法捕获节点集中节点之间的依赖性，并且认为直接聚合各个节点表示不会导致多个节点的有效关节表示。然后，我们注意到，以前的一些成功的工作作品用于多节点表示学习，包括密封，距离编码和ID-GNN，所有使用的节点标记。这些方法根据应用GNN之前的与目标节点集的关系，首先标记图中的节点。然后，在标记的图表中获得的节点表示被聚合到节点集表示中。通过调查其内部机制，我们将这些节点标记技术统一到单个和最基本的形式，即标记技巧。我们证明，通过标记技巧，可以获得足够富有表现力的GNN学习最具表现力的节点集表示，因此原则上可以解决节点集的任何联合学习任务。关于一个重要的双节点表示学习任务，链接预测，验证了我们理论的实验。我们的工作建立了使用GNN在节点集上使用GNN进行联合预测任务的理论基础。

Machine learning on graphs is an important and ubiquitous task with applications ranging from drug design to friendship recommendation in social networks. The primary challenge in this domain is finding a way to represent, or encode, graph structure so that it can be easily exploited by machine learning models. Traditionally, machine learning approaches relied on user-defined heuristics to extract features encoding structural information about a graph (e.g., degree statistics or kernel functions). However, recent years have seen a surge in approaches that automatically learn to encode graph structure into low-dimensional embeddings, using techniques based on deep learning and nonlinear dimensionality reduction. Here we provide a conceptual review of key advancements in this area of representation learning on graphs, including matrix factorization-based methods, random-walk based algorithms, and graph neural networks. We review methods to embed individual nodes as well as approaches to embed entire (sub)graphs. In doing so, we develop a unified framework to describe these recent approaches, and we highlight a number of important applications and directions for future work.

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。

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。

消息传递神经网络（MPNNs）是格拉夫神经网络（GNN）的一个常见的类型，其中，每个节点的表示是通过聚集从表示其直接邻居（消息）类似于一个星形图案递归计算。 MPNNs的呼吁是有效的，可扩展的，怎么样，曾经它们的表现是由一阶Weisfeiler雷曼同构测试（1-WL）的上界。对此，之前的作品提出在可扩展性的成本极富表现力的模型，有时泛化性能。我们的工作表示这两个政权：我们介绍抬升任何MPNN更加传神，具有可扩展性有限的开销，大大提高了实用性能的总体框架。我们从星星图案一般的子模式（例如，K-egonets）在MPNNs扩展本地聚合实现这一点：在我们的框架中，每个节点表示被计算为周边诱发子的编码，而不是唯一的近邻编码（即一个明星）。我们选择子编码器是一个GNN（主要是MPNNs，考虑到可扩展性）来设计用作一个包装掀任何GNN的总体框架。我们把我们提出的方法GNN-AK（GNN为核心），作为框架用GNNS更换内核类似于卷积神经网络。从理论上讲，我们表明，我们的框架比1和2-WL确实更强大，并且不超过3-WL那么强大。我们还设计子取样策略，可大大降低内存占用和提高速度的同时保持性能。我们的方法将大利润率多家知名图形ML任务新的国家的最先进的性能;具体地，0.08 MAE锌，74.79％和86.887％的准确度上CIFAR10和分别PATTERN。