图神经网络：基础、前沿与应用_吴凌飞崔鹏裴健赵亮_9787115598721

本书致力于介绍图神经网络的基本概念和算法、研究前沿以及广泛和新兴的应用，涵盖图神经网络的广泛主题，从基础到前沿，从方法到应用，涉及从方法论到应用场景方方面面的内容。全书分为四部分：第一部分介绍图神经网络的基本概念；第二部分讨论图神经网络成熟的方法；第三部分介绍图神经网络典型的前沿领域；第四部分描述可能对图神经网络未来研究比较重要和有前途的方法与应用的进展情况。本书适合高年级本科生和研究生、博士后研究人员、讲师以及行业从业者阅读与参考。

第一部分引言第 1章表征学习 2 1.1 导读 2 1.2 不同领域的表征学习 3 1.2.1 用于图像处理的表征学习 3 1.2.2 用于语音识别的表征学习 5 1.2.3 用于自然语言处理的表征学习 7 1.2.4 用于网络分析的表征学习 8 1.3 小结 9 第 2章图表征学习 11 2.1 导读 11 2.2 传统图嵌入方法 12 2.3 现代图嵌入方法 13 2.3.1 保留图结构和属性的图表征学习 13 2.3.2 带有侧面信息的图表征学习 15 2.3.3 保留高级信息的图表征学习 15 2.4 图神经网络 16 2.5 小结 17 第3章图神经网络 18 3.1 导读 18 3.2 图神经网络概述 19 3.2.1 图神经网络基础 19 3.2.2 图神经网络前沿 20 3.2.3 图神经网络应用 22 3.2.4 本书组织结构 23 3.3 小结 24 第二部分基础第4章用于节点分类的图神经网络 28 4.1 背景和问题定义 28 4.2 有监督的图神经网络 29 4.2.1 图神经网络的一般框架 29 4.2.2 图卷积网络 30 4.2.3 图注意力网络 32 4.2.4 消息传递神经网络 33 4.2.5 连续图神经网络 33 4.2.6 多尺度谱图卷积网络 35 4.3 无监督的图神经网络 37 4.3.1 变分图自编码器 37 4.3.2 深度图信息最大化 39 4.4 过平滑问题 41 4.5 小结 42 第5章图神经网络的表达能力 44 5.1 导读 44 5.2 图表征学习和问题的提出 47 5.3 强大的消息传递图神经网络 49 5.3.1 用于集合的神经网络 49 5.3.2 消息传递图神经网络 50 5.3.3 MP-GNN的表达能力 51 5.3.4 具有1-WL测试能力的MP-GNN 53 5.4 比1-WL测试更强大的图神经网络架构 54 5.4.1 MP-GNN的局限性 54 5.4.2 注入随机属性 56 5.4.3 注入确定性距离属性 61 5.4.4 建立高阶图神经网络 65 5.5 小结 69 第6章图神经网络的可扩展性 71 6.1 导读 71 6.2 引言 72 6.3 抽样范式 72 6.3.1 节点级抽样 74 6.3.2 层级抽样 76 6.3.3 图级抽样 79 6.4 大规模图神经网络在推荐系统中的应用 82 6.4.1 物品-物品推荐 82 6.4.2 用户-物品推荐 83 6.5 未来的方向 84 第7章图神经网络的可解释性 86 7.1 背景：深度模型的可解释性 86 7.1.1 可解释性和解释的定义 86 7.1.2 解释的价值 87 7.1.3 传统的解释方法 88 7.1.4 机遇与挑战 90 7.2 图神经网络的解释方法 90 7.2.1 背景 91 7.2.2 基于近似的解释 92 7.2.3 基于相关性传播的解释 95 7.2.4 基于扰动的解释 96 7.2.5 生成式解释 97 7.3 图神经网络的可解释模型 97 7.3.1 基于GNN的注意力模型 98 7.3.2 图上的解耦化表征学习 100 7.4 图神经网络解释的评估 101 7.4.1 基准数据集 101 7.4.2 评价指标 103 7.5 未来的方向 103 第8章图神经网络的对抗鲁棒性 105 8.1 动机 105 8.2 图神经网络的局限性：对抗性样本 107 8.2.1 对抗性攻击的分类 107 8.2.2 扰动的影响和一些启示 110 8.2.3 讨论和未来的方向 112 8.3 可证明的鲁棒性：图神经网络的认证 113 8.3.1 特定模型的认证 113 8.3.2 模型无关的认证 115 8.3.3 高级认证和讨论 116 8.4 提高图神经网络的鲁棒性 117 8.4.1 改进图 117 8.4.2 改进训练过程 118 8.4.3 改进图神经网络的架构 120 8.4.4 讨论和未来的方向 121 8.5 从鲁棒性的角度进行适当评估 122 8.6 小结 124 第三部分前沿第9章图分类 128 9.1 导读 128 9.2 用于图分类的图神经网络：典型工作和现代架构 129 9.2.1 空间方法 129 9.2.2 频谱方法 132 9.3 池化层：从节点级输出学习图级输出 133 9.3.1 基于注意力的池化层 134 9.3.2 基于聚类的池化层 134 9.3.3 其他池化层 134 9.4 图神经网络和高阶层在图分类中的局限性 135 9.5 图神经网络在图分类中的应用 137 9.6 基准数据集 137 9.7 小结 138 第 10章链接预测 139 10.1 导读 139 10.2 传统的链接预测方法 140 10.2.1 启发式方法 140 10.2.2 潜在特征方法 143 10.2.3 基于内容的方法 145 10.3 基于GNN的链接预测方法 145 10.3.1 基于节点的方法 145 10.3.2 基于子图的方法 147 10.3.3 比较基于节点的方法和基于子图的方法 150 10.4 链接预测的理论 151 10.4.1 γ–衰减启发式理论 151 10.4.2 贴标签技巧 155 10.5 未来的方向 158 10.5.1 加速基于子图的方法 158 10.5.2 设计更强大的贴标签技巧 159 10.5.3 了解何时使用独热特征 159 第 11章图生成 160 11.1 导读 160 11.2 经典的图生成模型 160 11.2.1 Erd s-Rényi模型 161 11.2.2 随机块模型 162 11.3 深度图生成模型 163 11.3.1 表征图 163 11.3.2 变分自编码器方法 164 11.3.3 深度自回归方法 168 11.3.4 生成对抗网络方法 174 11.4 小结 178 第 12章图转换 179 12.1 图转换问题的形式化 179 12.2 节点级转换 180 12.2.1 节点级转换的定义 180 12.2.2 交互网络 180 12.2.3 时空卷积循环神经网络 181 12.3 边级转换 182 12.3.1 边级转换的定义 182 12.3.2 图转换生成对抗网络 183 12.3.3 多尺度图转换网络 184 12.3.4 图转换策略网络 185 12.4 节点-边共转换 186 12.4.1 节点-边共转换的定义 186 12.4.2 基于编辑的节点-边共转换 190 12.5 其他基于图的转换 193 12.5.1 序列到图的转换 193 12.5.2 图到序列的转换 194 12.5.3 上下文到图的转换 195 12.6 小结 196 第 13章图匹配 197 13.1 导读 197 13.2 图匹配学习 198 13.2.1 问题的定义 199 13.2.2 基于深度学习的图匹配模型 200 13.2.3 基于GNN的图匹配模型 201 13.3 图相似性学习 205 13.3.1 问题的定义 205 13.3.2 图-图回归任务 206 13.3.3 图-图分类任务 209 13.4 小结 210 第 14章图结构学习 211 14.1 导读 211 14.2 传统的图结构学习 212 14.2.1 无监督图结构学习 212 14.2.2 有监督图结构学习 214 14.3 图神经网络的图结构学习 215 14.3.1 图结构和表征的联合学习 216 14.3.2 与其他问题的联系 225 14.4 未来的方向 226 14.4.1 鲁棒的图结构学习 226 14.4.2 可扩展的图结构学习 226 14.4.3 异质图的图结构学习 227 14.5 小结 227 第 15章动态图神经网络 228 15.1 导读 228 15.2 背景和表示法 229 15.2.1 图神经网络 229 15.2.2 序列模型 230 15.2.3 编码器-解码器框架和模型训练 233 15.3 动态图的类型 233 15.3.1 离散型与连续型 234 15.3.2 演变类型 235 15.3.3 预测问题、内插法和外推法 235 15.4 用图神经网络对动态图进行建模 236 15.4.1 将动态图转换为静态图 236 15.4.2 用于DTDG的图神经网络 238 15.4.3 用于CTDG的图神经网络 240 15.5 应用 242 15.5.1 基于骨架的人类活动识别 243 15.5.2 交通预测 244 15.5.3 时序知识图谱补全 245 15.6 小结 247 第 16章异质图神经网络 248 16.1 HGNN简介 248 16.1.1 HG的基本概念 249 16.1.2 异质性给HG嵌入带来的独特挑战 250 16.1.3 对HG嵌入最新发展的简要概述 251 16.2 浅层模型 251 16.2.1 基于分解的方法 252 16.2.2 基于随机游走的方法 253 16.3 深度模型 254 16.3.1 基于消息传递的方法 254 16.3.2 基于编码器-解码器的方法 257 16.3.3 基于对抗的方法 257 16.4 回顾 259 16.5 未来的方向 259 16.5.1 结构和属性保存 259 16.5.2 更深入的探索 260 16.5.3 可靠性 260 16.5.4 应用 261 第 17章自动机器学习 262 17.1 背景 262 17.1.1 AutoGNN的表示法 264 17.1.2 AutoGNN的问题定义 264 17.1.3 AutoGNN的挑战 265 17.2 搜索空间 265 17.2.1 架构搜索空间 266 17.2.2 训练超参数搜索空间 268 17.2.3 高效的搜索空间 269 17.3 搜索算法 269 17.3.1 随机搜索 269 17.3.2 进化搜索 270 17.3.3 基于强化学习的搜索 270 17.3.4 可微搜索 271 17.3.5 高效的表现评估 272 17.4 未来的方向 273 第 18章自监督学习 275 18.1 导读 275 18.2 自监督学习概述 276 18.3 将SSL应用于图神经网络：对训练策略、损失函数和代理任务进行分类 277 18.3.1 训练策略 278 18.3.2 损失函数 281 18.3.3 代理任务 283 18.4 节点级代理任务 283 18.4.1 基于结构的节点级代理任务 284 18.4.2 基于特征的节点级代理任务 285 18.4.3 混合代理任务 285 18.5 图级代理任务 287 18.5.1 基于结构的图级代理任务 287 18.5.2 基于特征的图级代理任务 291 18.5.3 混合代理任务 291 18.6 节点-图级代理任务 293 18.7 讨论 294 18.8 小结 295 第四部分广泛和新兴的应用第 19章现代推荐系统中的图神经网络 298 19.1 图神经网络在推荐系统中的实践 298 19.1.1 简介 298 19.1.2 预测用户-物品偏好的经典方法 302 19.1.3 用户-物品推荐系统中的物品推荐：二分图的视角 302 19.2 案例研究1：动态的GNN学习 304 19.2.1 动态序贯图 304 19.2.2 DSGL 304 19.2.3 模型预测 307 19.2.4 实验和讨论 308 19.3 案例研究2：设备-云协作的GNN学习 309 19.3.1 提议的框架 309 19.3.2 实验和讨论 312 19.4 未来的方向 313 第 20章计算机视觉中的图神经网络 315 20.1 导读 315 20.2 将视觉表征为图 316 20.2.1 视觉节点表征 316 20.2.2 视觉边表征 317 20.3 案例研究1：图像 318 20.3.1 物体检测 318 20.3.2 图像分类 319 20.4 案例研究2：视频 320 20.4.1 视频动作识别 320 20.4.2 时序动作定位 322 20.5 其他相关工作：跨媒体 322 20.5.1 视觉描述 322 20.5.2 视觉问答 323 20.5.3 跨媒体检索 324 20.6 图神经网络在计算机视觉中的前沿问题 324 20.6.1 用于计算机视觉的高级图神经网络 325 20.6.2 图神经网络在计算机视觉中的更广泛应用 325 20.7 小结 326 第 21章自然语言处理中的图神经网络 327 21.1 导读 327 21.2 将文本建模为图 329 21.2.1 自然语言处理中的图表征 329 21.2.2 从图的角度完成自然语言处理任务 330 21.3 案例研究1：基于图的文本聚类和匹配 332 21.3.1 基于图聚类的热点事件发现和组织 332 21.3.2 使用图分解和卷积进行长文档匹配 333 21.4 案例研究2：基于图的多跳阅读理解 335 21.5 未来的方向 338 21.6 小结 339 第 22章程序分析中的图神经网络 341 22.1 导读 341 22.2 程序分析中的机器学习 342 22.3 程序的图表征 343 22.4 用于程序图的图神经网络 345 22.5 案例研究1：检测变量误用缺陷 346 22.6 案例研究2：预测动态类型化语言中的类型 348 22.7 未来的方向 350 第 23章软件挖掘中的图神经网络 352 23.1 导读 352 23.2 将软件建模为图 353 23.2.1 宏观与微观层面的表征 353 23.2.2 将宏观和微观层面的表征结合起来 354 23.3 相关的软件挖掘任务 355 23.4 软件挖掘任务实例：源代码总结 357 23.4.1 基于GNN的源代码总结快速入门 357 23.4.2 改进的方向 363 23.5 小结 364 第 24章药物开发中基于图神经网络的生物医学知识图谱挖掘 366 24.1 导读 366 24.2 现有的生物医学知识图谱 367 24.3 知识图谱的推理 369 24.3.1 传统的KG推理技术 370 24.3.2 基于GNN的KG推理技术 371 24.4 药物开发中基于KG的假设生成 374 24.4.1 基于KG的药物再利用的机器学习框架 374 24.4.2 基于KG的药物再利用在COVID-19中的应用 375 24.5 未来的方向 376 24.5.1 KG质量控制 376 24.5.2 可扩展的推理 377 24.5.3 KG与其他生物医学数据的结合 378 第 25章预测蛋白质功能和相互作用的图神经网络 383 25.1 从蛋白质的相互作用到功能简介 383 25.1.1 登上舞台：蛋白质-蛋白质相互作用网络 384 25.1.2 问题形式化、假设和噪声：从历史的视角 384 25.1.3 浅层机器学习模型 385 25.1.4 好戏上演：图神经网络 386 25.2 三个典型的案例研究 387 25.2.1 案例研究1：蛋白质-蛋白质和蛋白质-药物相互作用的预测 387 25.2.2 案例研究2：蛋白质功能和功能重要的残差的预测 389 25.2.3 案例研究3：使用图自编码器从生物网络的表征中学习多关系链接预测 391 25.3 未来的方向 393 第 26章异常检测中的图神经网络 395 26.1 导读 395 26.2 基于GNN的异常检测的问题 397 26.2.1 特定于数据的问题 397 26.2.2 特定于任务的问题 399 26.2.3 特定于模型的问题 399 26.3 流水线 400 26.3.1 图的构建和转换 400 26.3.2 图表征学习 401 26.3.3 预测 402 26.4 分类法 403 26.5 案例研究 404 26.5.1 案例研究1：用于恶意账户检测的图嵌入 404 26.5.2 案例研究2：基于层次注意力机制的套现用户检测 404 26.5.3 案例研究3：用于恶意程序检测的注意力异质图神经网络 405 26.5.4 案例研究4：通过图神经网络学习程序表征和相似性度量的图匹配框架，用于检测未知的恶意程序 406 26.5.5 案例研究5：使用基于注意力的时间GCN进行动态图的异常检测 408 26.5.6 案例研究6：使用GAS进行垃圾评论检测 408 26.6 未来的方向 409 第 27章智慧城市中的图神经网络 410 27.1 用于智慧城市的图神经网络 410 27.1.1 导读 410 27.1.2 图神经网络在智慧城市中的应用场景 411 27.1.3 将城市系统表征为图 413 27.1.4 案例研究1：图神经网络在交通和城市规划中的应用 415 27.1.5 案例研究2：图神经网络在城市事件和异常情况预测中的应用 417 27.1.6 案例研究3：图神经网络在城市人类行为分析中的应用 417 27.2 未来的方向 419 参考文献 420

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