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題目： 圖神經網絡的無冗余計算 會議： KDD2020 論文地址： //dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3394486.3403142 推薦理由： 對于圖神經網絡中重復信息的聚合，這篇文章提出了一種簡單有效的層次化聚合的方法(HAG)，用于層次化管理中間結果并減少圖神經網絡在訓練和推斷過程中重復計算。HAG 能夠保證在計算層次化聚合的過程中，可以使用更少的時間用于訓練并且得到的結果和傳統的圖神經網絡模型一致。

GNN在單層中基于遞歸鄰域聚合方案，每個節點聚合其鄰居的特征，并使用聚合值更新其自身的特征。這樣遞歸地傳播多次（多層），最后，GNN中的每個節點都會從其k階網絡鄰居中的其他節點收集信息。最后GNN層的激活然后被用于下游預測任務，例如節點分類、圖分類或鏈路預測。然而，如何設計一個能夠有效處理大規模圖數據集的GNN仍然是一個挑戰。特別的是，許多當前的工作是使用整張圖的拉普拉斯矩陣，這樣即便是對于中等規模的圖，也會面臨存儲空間的問題。GraphSAGE首次提出使用對每個獨立節點執行小圖鄰域采樣，然后再聚合這些節點的鄰域信息，但是對于單個節點進行鄰域采樣是一個高復雜度的事情，因此許多手工調整的啟發式算法被用來限制采樣復雜性并選擇鄰域圖并通過優化圖的采樣步驟來提高GNN的效率。

圖神經網絡(GNNs)的快速發展帶來了越來越多的新架構和新應用。目前的研究側重于提出和評估GNNs的具體架構設計，而不是研究GNNs的更一般的設計空間，后者由不同設計維度的笛卡爾積(如層數或聚合函數的類型)組成。此外，GNN設計通常專門針對單個任務，但很少有人努力了解如何快速為新任務或新數據集找到最佳GNN設計。這里我們定義并系統地研究了GNNs的架構設計空間，它包含了超過32種不同的預測任務的315000種不同的設計。我們的方法有三個主要創新:(1)一個通用的GNN設計空間;(2)具有相似度度量的GNN任務空間，這樣對于給定的新任務/數據集，我們可以快速識別/傳輸性能最好的架構;(3)一種高效的設計空間評價方法，可以從大量的模型-任務組合中提取洞察力。我們的主要結果包括:(1)一套設計性能良好的GNN的全面指南;(2)雖然針對不同任務的最佳GNN設計存在顯著差異，但GNN任務空間允許在不同任務之間傳輸最佳設計;(3)利用我們的設計空間發現的模型實現了最先進的性能。總的來說，我們的工作提供了一個原則性和可擴展性的方法，實現了從研究針對特定任務的個體GNN設計到系統地研究GNN設計空間和任務空間的過渡。最后，我們發布了GraphGym，這是一個用于探索不同GNN設計和任務的強大平臺。GraphGym具有模塊化的GNN實現、標準化的GNN評估和可重復和可擴展的實驗管理。

//arxiv.org/abs/2011.08843

圖神經網絡(GNN)已被證明是圖分析的強大工具。關鍵思想是沿著給定圖的邊遞歸地傳播和聚合信息。盡管它們取得了成功，但是，現有的GNN通常對輸入圖的質量很敏感。真實世界的圖通常是噪聲和包含任務無關的邊緣，這可能導致在學習的GNN模型中泛化性能次優。本文提出一種參數化拓撲去噪網絡PTDNet，通過學習丟棄任務無關邊來提高GNNs的魯棒性和泛化性能。PTDNet通過使用參數化網絡懲罰稀疏圖中的邊數來刪除與任務無關的邊。考慮到整個圖的拓撲結構，采用核范數正則化對稀疏圖施加低秩約束，以便更好地泛化。PTDNet可以作為GNN模型的關鍵組件，以提高其在各種任務中的性能，如節點分類和鏈路預測。在合成數據集和基準數據集上的實驗研究表明，PTDNet可以顯著提高GNNs的性能，并且對于噪聲較大的數據集性能增益更大。

//personal.psu.edu/dul262/PTDNet/WSDM2021_PTDNet_camera_ready.pdf

我們研究在一種新穎實際的設定下對圖神經網絡的黑盒攻擊，我們限制攻擊者只能獲得部分節點的信息并且只能修改其中小部分的節點。在這樣的設定下，如何選擇節點變得愈發重要。我們證明圖神經網絡的結構歸納偏差能成為有效的黑盒攻擊源頭。具體來說，通過利用圖神經網路的向后傳播與隨機游走之間的聯系，我們表明基于梯度的常見白盒攻擊可以通過梯度和與PageRank類似的重要性分數之間的聯系而推廣到黑盒攻擊。在實踐中，我們發現基于這個重要性分數上確實很大的程度地增加了損失值，但是不能顯著提高分類錯誤的比率。我們的理論和經驗分析表明，損失值和誤分類率之間存在差異，即當受攻擊的節點數增加時，后者會呈現遞減的回報模式。因此，考慮到收益遞減效應，我們提出了一種貪心算法來校正這一重要性得分。實驗結果表明，所提出的選點程序在無需訪問模型參數或預測的前提下可以顯著提高常用數據集上常見GNN的誤分類率。

//arxiv.org/abs/2006.05057

論文題目：Scalable Graph Neural Networks via Bidirectional Propagation

論文概述：圖神經網絡（GNN）是一個新興的非歐氏數據學習領域。近年來，人們對設計可擴展到大型圖形的GNN越來越感興趣。大多數現有的方法使用“圖采樣”或“分層采樣”技術來減少訓練時間；但是，這些方法在應用于具有數十億條邊的圖時仍然無法提供可靠的性能。在本文中，我們提出了一種可伸縮的圖神經網絡GBP，同時從特征向量和訓練/測試節點進行雙向消息傳播，為每個表示生成一個無偏估計量。每個傳播都是以局部方式執行的，從而實現了亞線性時間復雜性。廣泛的實驗證明，GBP達到了state-of-the-art性能同時顯著減少訓練和推理時間。在單臺機器上，GBP能夠在不到2000秒的時間內，在一個擁有超過6000萬個節點和18億條邊的圖形上提供優異的性能

//www.zhuanzhi.ai/paper/bf70cf78aa20bcfce7a1f6d36c8e080a

在本文中，我們提出了一種端到端的圖學習框架，即迭代深度圖學習(IDGL)，用于共同迭代地學習圖結構和圖嵌入。IDGL的關鍵原理是學習基于更好的節點嵌入的更好的圖結構，反之亦然(即基于更好的圖結構的更好的節點嵌入)。我們的迭代方法動態停止時，學習圖接近足夠優化的圖預測任務。此外，我們將圖學習問題轉換為一個相似度量學習問題，并利用自適應圖正則化來控制學習圖的質量。最后，結合基于錨點的近似技術，我們進一步提出了一個可擴展的IDGL版本，即IDGL- anch，在不影響性能的前提下，顯著降低了IDGL的時間和空間復雜度。我們在9個基準上進行的廣泛實驗表明，我們提出的IDGL模型始終能夠優于或匹配最先進的基線。此外，IDGL還能更魯棒地處理對抗圖，并能同時處理傳導學習和歸納學習。

//arxiv.org/abs/2006.13009

圖神經網絡(GNN)已經在許多具有挑戰性的應用中展示了優越的性能，包括小樣本學習任務。盡管GNN具有強大的從少量樣本中學習和歸納的能力，但隨著模型的深入，GNN通常會出現嚴重的過擬合和過平滑問題，這限制了模型的可擴展性。在這項工作中，我們提出了一個新的注意力GNN來解決這些挑戰，通過合并三重注意機制，即節點自我注意，鄰居注意和層記憶注意力。我們通過理論分析和實例說明了所提出的注意模塊可以改善小樣本學習的GNN的原因。廣泛的實驗表明，在mini-ImageNet 和Tiered-ImageNet數據集上，通過誘導和直推設置，提出的注意力GNN在小樣本學習方面優于基于最先進的GNN方法。

圖神經網絡(GNNs)是一種強大的圖表示學習工具。然而，最近的研究表明，GNN很容易受到精心設計的干擾，即所謂的對抗攻擊。對抗攻擊可以很容易地愚弄GNN，使其無法預測后續任務。在對安全性要求很高的應用程序中應用GNN的脆弱性引起了越來越多的關注。因此，開發對抗攻擊的魯棒算法具有重要意義。為對抗攻擊辯護的一個自然的想法是清理受干擾的圖。很明顯，真實世界的圖具有一些內在的特性。例如，許多真實世界的圖是低秩和稀疏的，并且兩個相鄰節點的特征趨于相似。事實上，我們發現，對抗攻擊很可能會破壞這些圖的屬性。因此，在本文中，我們探討這些性質，以防御圖的對抗性攻擊。特別地，我們提出了一個通用的框架Pro-GNN，它可以聯合學習結構圖和魯棒圖神經網絡模型從攝動圖的這些屬性指導。在真實圖上的大量實驗表明，與最先進的防御方法相比，即使在圖受到嚴重干擾的情況下，所提出的框架也能獲得更好的性能。我們將Pro-GNN的實現發布到我們的DeepRobust存儲庫，用于對抗攻擊和防御

//github.com/DSE-MSU/DeepRobust。

復現我們的結果的具體實驗設置可以在

概述

圖是在許多領域中普遍存在的數據結構，例如化學(分子)、金融(交易網絡)和社交媒體(Facebook朋友網絡)。隨著它們的流行，學習有效的圖表示并將其應用于解決后續任務尤為重要。近年來，圖神經網絡(Graph Neural Networks, GNNs)在圖表示學習取得了巨大的成功(Li et al.， 2015;Hamilton，2017;Kipf and Welling, 2016a;Veli?kovi?et al ., 2018)。GNNs遵循消息傳遞方案(Gilmer et al.， 2017)，其中節點嵌入是通過聚合和轉換其鄰居的嵌入來獲得的。由于其良好的性能，GNNs已經應用于各種分析任務，包括節點分類(Kipf和Welling, 2016a)、鏈接預測(Kipf和Welling, 2016b)和推薦系統(Ying et al.， 2018)。

雖然已經取得了令人鼓舞的結果，但最近的研究表明，GNNs易受攻擊(Jin et al.， 2020;Zugner et al.， 2018;Zugner Gunnemann, 2019;Dai et al.， 2018;吳等，2019b)。換句話說，在圖中不明顯的擾動下，GNNs的性能會大大降低。這些模型缺乏健壯性，可能會對與安全和隱私相關的關鍵應用造成嚴重后果。例如，在信用卡欺詐檢測中，詐騙者可以創建多個交易，只有少數高信用用戶可以偽裝自己，從而逃避基于GNNs的檢測。因此，開發抗攻擊的穩健的GNN模型具有重要意義。修改圖數據可以擾亂節點特征或圖結構。然而，由于結構信息的復雜性，現有的對圖數據的攻擊主要集中在修改圖數據結構，特別是添加/刪除/重連邊(Xu et al.， 2019)。因此，在這項工作中，我們的目標是抵御對圖數據的最常見的攻擊設置，即，對圖結構的毒殺攻擊。在這種情況下，圖結構在訓練GNNs之前已經修改了邊，而節點特征沒有改變，這已經擾亂了圖結構。

設計有效防御算法的一個視角是對擾動圖進行清理，如刪除反向邊和恢復被刪除邊(Zhu et al.， 2019;Tang et al., 2019)。從這個角度來看，關鍵的挑戰是我們應該遵循什么標準來清除擾動圖。眾所周知，真實世界的圖通常具有某些特性。首先，許多真實世界的干凈圖是低秩和稀疏的(Zhou et al.， 2013)。例如，在社交網絡中，大多數個體只與少數鄰居連接，影響用戶之間連接的因素很少(Zhou et al., 2013; Fortunato, 2010)。其次，干凈圖中連接的節點可能具有相似的特征或屬性(或特征平滑度)(McPherson et al.， 2001)。例如，在一個引文網絡中，兩個相連的出版物經常共享相似的主題(Kipf Welling, 2016a)。圖1演示了干凈和中毒圖的這些屬性。具體來說，我們用了最先進的圖數據中毒攻擊metattack (Zugner和Gunnemann, 2019a)來擾亂圖數據，并在mettack之前和之后可視化圖的屬性。如圖(a)a所示，metattack擴大了鄰接矩陣的奇異值，圖(b)b說明metattack可以快速地增加鄰接矩陣的秩。此外，當我們分別從攝動圖中刪除對抗性邊和法線時，我們觀察到刪除對抗性邊比刪除法線更快地降低了秩，如圖(c)c所示。另外，我們在圖(d)d中描述了攻擊圖的連通節點特征差異的密度分布。可以看出，metattack傾向于連接特征差異較大的節點。圖1的觀察結果表明，對抗性攻擊可能破壞這些屬性。因此，這些性質有可能作為清除攝動圖的指導。然而，利用這些性質來建立魯棒圖神經網絡的研究還很有限。

本文旨在探討圖的稀疏性、低秩性和特征平滑性，設計魯棒的圖神經網絡。請注意，還有更多的屬性有待探索，我們希望將其作為未來的工作。從本質上講，我們面臨著兩個挑戰:(1)如何在這些屬性的引導下，從中毒的圖數據中學習干凈的圖結構;(二)如何將魯棒圖神經網絡的參數與凈結構聯合學習。為了解決這兩個問題，我們提出了一個通用的框架屬性GNN (Pro-GNN)來同時從攝動圖和GNN參數中學習干凈的圖結構，以抵御對抗攻擊。在各種真實世界圖形上的大量實驗表明，我們提出的模型能夠有效地防御不同類型的對抗攻擊，并優于最先進的防御方法。

對抗性攻擊會對圖數據產生精心設計的擾動。我們把精心設計的擾動稱為對抗性結構。對抗結構會導致GNNs的性能急劇下降。因此，為了防御競爭攻擊，一種自然的策略是消除精心設計的競爭結構，同時保持固有的圖結構。在本工作中，我們的目標是通過探索低秩、稀疏性和特征平滑性的圖結構特性來實現這一目標。該框架的示意圖如圖2所示，其中黑色的邊為普通邊，紅色的邊為攻擊者為降低節點分類性能而引入的對抗性邊。為了抵御攻擊，Pro-GNN通過保持圖的低秩性、稀疏性和特征平滑性，迭代地重構干凈圖，以減少對抗結構的負面影響。同時，為了保證重構圖能夠幫助節點分類，Pro-GNN通過求解交替模式下的優化問題，同時更新重構圖上的GNN參數。

圖神經網絡很容易被圖對抗攻擊所欺騙。為了防御不同類型的圖對抗攻擊，我們引入了一種新的防御方法Pro-GNN，該方法同時學習圖結構和GNN參數。我們的實驗表明，我們的模型始終優于最先進的基線，并提高了在各種對抗攻擊下的整體魯棒性。在未來，我們的目標是探索更多的屬性，以進一步提高GNNs的魯棒性。

【簡介】深度神經網絡(DNNs)在各項任務上都取得了不俗的表現。然而，最近的研究表明通過對輸入進行很小的擾動就可以輕易的騙過DNNs，這被稱作對抗式攻擊。作為DNNs在圖上的擴展，圖神經網絡（GNNs)也繼承了這一缺陷。對手通過修改圖中的一些邊等操作來改變圖的結構可以誤導GNNs作出錯誤的預測。這一漏洞已經引起了人們對在安全領域關鍵應用中采用GNNs的極大關注，并在近年來引起了越來越多的人的研究興趣。因此，對目前的圖對抗式攻擊和反制措施進行一個全面的梳理和回顧是相當有必要的。在這篇綜述中，我們對目前的攻擊和防御進行了分類，以及回顧了相關表現優異的模型。最后，我們開發了一個具有代表性算法的知識庫，該知識庫可以使我們進行相關的研究來加深我們對基于圖的攻擊和防御的理解。

1、Approximation Ratios of Graph Neural Networks for Combinatorial Problems

作者：Ryoma Sato， Makoto Yamada， Hisashi Kashima;

摘要：本文從理論的角度研究了圖神經網絡(GNNs)在學習組合問題近似算法中的作用。為此，我們首先建立了一個新的GNN類，它可以嚴格地解決比現有GNN更廣泛的問題。然后，我們彌合了GNN理論和分布式局部算法理論之間的差距，從理論上證明了最強大的GNN可以學習最小支配集問題的近似算法和具有一些近似比的最小頂點覆蓋問題比率，并且沒有GNN可以執行比這些比率更好。本文首次闡明了組合問題中GNN的近似比。此外，我們還證明了在每個節點特征上添加著色或弱著色可以提高這些近似比。這表明預處理和特征工程在理論上增強了模型的能力。

網址：//www.zhuanzhi.ai/paper/9cad40c81920dfd71fa91e4ddf778616

2、D-VAE: A Variational Autoencoder for Directed Acyclic Graphs

作者：Muhan Zhang, Shali Jiang, Zhicheng Cui, Roman Garnett, Yixin Chen;

摘要：圖結構數據在現實世界中是豐富的。在不同的圖類型中，有向無環圖(DAG)是機器學習研究人員特別感興趣的，因為許多機器學習模型都是通過DAG上的計算來實現的，包括神經網絡和貝葉斯網絡。本文研究了DAG的深度生成模型，提出了一種新的DAG變分自編碼器(D-VAE)。為了將DAG編碼到潛在空間中，我們利用了圖神經網絡。我們提出了一個異步消息傳遞方案，它允許在DAG上編碼計算，而不是使用現有的同步消息傳遞方案來編碼局部圖結構。通過神經結構搜索和貝葉斯網絡結構學習兩項任務驗證了該方法的有效性。實驗表明，該模型不僅生成了新穎有效的DAG，還可以生成平滑的潛在空間，有助于通過貝葉斯優化搜索具有更好性能的DAG。

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3、End to end learning and optimization on graphs

作者：Bryan Wilder, Eric Ewing, Bistra Dilkina, Milind Tambe;

摘要：在實際應用中，圖的學習和優化問題常常結合在一起。例如，我們的目標可能是對圖進行集群，以便檢測有意義的社區(或者解決其他常見的圖優化問題，如facility location、maxcut等)。然而，圖或相關屬性往往只是部分觀察到，引入了一些學習問題，如鏈接預測，必須在優化之前解決。我們提出了一種方法，將用于常見圖優化問題的可微代理集成到用于鏈接預測等任務的機器學習模型的訓練中。這允許模型特別關注下游任務，它的預測將用于該任務。實驗結果表明，我們的端到端系統在實例優化任務上的性能優于將現有的鏈路預測方法與專家設計的圖優化算法相結合的方法。

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4、Graph Neural Tangent Kernel: Fusing Graph Neural Networks with Graph Kernels

作者：Simon S. Du, Kangcheng Hou, Barnabás Póczos, Ruslan Salakhutdinov, Ruosong Wang, Keyulu Xu;

摘要：雖然圖內核(graph kernel，GK)易于訓練并享有可證明的理論保證，但其實際性能受其表達能力的限制，因為內核函數往往依賴于圖的手工組合特性。與圖內核相比，圖神經網絡通常具有更好的實用性能，因為圖神經網絡使用多層結構和非線性激活函數來提取圖的高階信息作為特征。然而，由于訓練過程中存在大量的超參數，且訓練過程具有非凸性，使得GNN的訓練更加困難。GNN的理論保障也沒有得到很好的理解。此外，GNN的表達能力隨參數的數量而變化，在計算資源有限的情況下，很難充分利用GNN的表達能力。本文提出了一類新的圖內核，即圖神經切線核(GNTKs)，它對應于通過梯度下降訓練的無限寬的多層GNN。GNTK充分發揮了GNN的表現力，繼承了GK的優勢。從理論上講，我們展示了GNTK可以在圖上學習一類平滑函數。根據經驗，我們在圖分類數據集上測試GNTK并展示它們實現了強大的性能。

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5、HyperGCN: A New Method of Training Graph Convolutional Networks on Hypergraphs

作者：Naganand Yadati, Madhav Nimishakavi, Prateek Yadav, Vikram Nitin, Anand Louis, Partha Talukdar;

摘要：在許多真實世界的網絡數據集中，如co-authorship、co-citation、email communication等，關系是復雜的，并且超越了成對關聯。超圖（Hypergraph）提供了一個靈活而自然的建模工具來建模這種復雜的關系。在許多現實世界網絡中，這種復雜關系的明顯存在，自然會激發使用Hypergraph學習的問題。一種流行的學習范式是基于超圖的半監督學習(SSL)，其目標是將標簽分配給超圖中最初未標記的頂點。由于圖卷積網絡(GCN)對基于圖的SSL是有效的，我們提出了HyperGCN，這是一種在超圖上訓練用于SSL的GCN的新方法。我們通過對真實世界超圖的詳細實驗證明HyperGCN的有效性，并分析它何時比最先進的baseline更有效。

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6、Social-BiGAT: Multimodal Trajectory Forecasting using Bicycle-GAN and Graph Attention Networks

作者：Vineet Kosaraju, Amir Sadeghian, Roberto Martín-Martín, Ian Reid, S. Hamid Rezatofighi, Silvio Savarese;

摘要：從自動駕駛汽車和社交機器人的控制到安全監控，預測場景中多個交互主體的未來軌跡已成為許多不同應用領域中一個日益重要的問題。這個問題由于人類之間的社會互動以及他們與場景的身體互動而變得更加復雜。雖然現有的文獻探索了其中的一些線索，但它們主要忽略了每個人未來軌跡的多模態性質。在本文中，我們提出了一個基于圖的生成式對抗網絡Social-BiGAT，它通過更好地建模場景中行人的社交互來生成真實的多模態軌跡預測。我們的方法是基于一個圖注意力網絡(GAT)學習可靠的特征表示(編碼場景中人類之間的社會交互)，以及一個反方向訓練的循環編解碼器體系結構(根據特征預測人類的路徑)。我們明確地解釋了預測問題的多模態性質，通過在每個場景與其潛在噪聲向量之間形成一個可逆的變換，就像在Bicycle-GAN中一樣。我們表明了，與現有軌跡預測基準的幾個baseline的比較中，我們的框架達到了最先進的性能。

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7、Scalable Gromov-Wasserstein Learning for Graph Partitioning and Matching

作者：Hongteng Xu, Dixin Luo, Lawrence Carin;

摘要：我們提出了一種可擴展的Gromov-Wasserstein learning (S-GWL) 方法，并建立了一種新的、理論支持的大規模圖分析范式。該方法基于Gromov-Wasserstein discrepancy，是圖上的偽度量。給定兩個圖，與它們的Gromov-Wasserstein discrepancy相關聯的最優傳輸提供了節點之間的對應關系，從而實現了圖的匹配。當其中一個圖具有獨立但自連接的節點時（即，一個斷開連接的圖），最優傳輸表明了其他圖的聚類結構，實現了圖的劃分。利用這一概念，通過學習多觀測圖的Gromov-Wasserstein barycenter圖，將該方法推廣到多圖的劃分與匹配; barycenter圖起到斷開圖的作用，因為它是學習的，所以聚類也是如此。該方法將遞歸K分割機制與正則化近似梯度算法相結合，對于具有V個節點和E條邊的圖，其時間復雜度為O(K(E+V) logk V)。據我們所知，我們的方法是第一次嘗試使Gromov-Wasserstein discrepancy適用于大規模的圖分析，并將圖的劃分和匹配統一到同一個框架中。它優于最先進的圖劃分和匹配方法，實現了精度和效率之間的平衡。

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8、Universal Invariant and Equivariant Graph Neural Networks

作者：Nicolas Keriven, Gabriel Peyré;

摘要：圖神經網絡(GNN)有多種形式，但應該始終是不變的(輸入圖節點的排列不會影響輸出)或等變的(輸入的排列置換輸出)。本文考慮一類特殊的不變和等變網絡，證明了它的一些新的普適性定理。更確切地說，我們考慮具有單個隱藏層的網絡，它是通過應用等變線性算子、點態非線性算子和不變或等變線性算子形成的信道求和而得到的。最近，Maron et al. (2019b)指出，通過允許網絡內部的高階張量化，可以獲得通用不變的GNN。作為第一個貢獻，我們提出了這個結果的另一種證明，它依賴于實值函數代數的Stone-Weierstrass定理。我們的主要貢獻是將這一結果推廣到等變情況，這種情況出現在許多實際應用中，但從理論角度進行的研究較少。證明依賴于一個新的具有獨立意義的廣義等變函數代數Stone-Weierstrass定理。最后，與以往許多考慮固定節點數的設置不同，我們的結果表明，由一組參數定義的GNN可以很好地近似于在不同大小的圖上定義的函數。

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