Persistent homology (PH) has recently emerged as a powerful tool for extracting topological features. Integrating PH into machine learning and deep learning models enhances topology awareness and interpretability. However, most PH methods on graphs rely on a limited set of filtrations, such as degree-based or weight-based filtrations, which overlook richer features like recurring information across the dataset and thus restrict expressive power. In this work, we propose a novel graph filtration called Frequent Subgraph Filtration (FSF), which is derived from frequent subgraphs and produces stable and information-rich frequency-based persistent homology (FPH) features. We study the theoretical properties of FSF and provide both proofs and experimental validation. Beyond persistent homology itself, we introduce two approaches for graph classification: an FPH-based machine learning model (FPH-ML) and a hybrid framework that integrates FPH with graph neural networks (FPH-GNNs) to enhance topology-aware graph representation learning. Our frameworks bridge frequent subgraph mining and topological data analysis, offering a new perspective on topology-aware feature extraction. Experimental results show that FPH-ML achieves competitive or superior accuracy compared with kernel-based and degree-based filtration methods. When integrated into graph neural networks, FPH yields relative performance gains ranging from 0.4 to 21 percent, with improvements of up to 8.2 percentage points over GCN and GIN backbones across benchmarks.


翻译:持久同调(PH)近年来已成为提取拓扑特征的有力工具。将PH集成到机器学习和深度学习模型中,可增强拓扑感知能力与可解释性。然而,现有的大多数基于图的PH方法依赖于有限的过滤函数(如基于度或基于权重的过滤),忽略了数据集中重复出现的信息等更丰富的特征,从而限制了表达能力。本文提出一种称为频繁子图过滤(FSF)的新型图过滤方法,该方法从频繁子图导出,能产生稳定且信息丰富的基于频率的持久同调(FPH)特征。我们研究了FSF的理论性质,并提供了理论证明与实验验证。除持久同调本身外,我们还提出了两种图分类方法:基于FPH的机器学习模型(FPH-ML)以及将FPH与图神经网络(GNN)结合的混合框架(FPH-GNN),以增强拓扑感知的图表示学习。我们的框架连接了频繁子图挖掘与拓扑数据分析,为拓扑感知的特征提取提供了新视角。实验结果表明,与基于核函数和基于度的过滤方法相比,FPH-ML取得了具有竞争力或更优的分类精度。当集成到图神经网络中时,FPH在不同基准测试中相对于GCN和GIN骨干网络获得了0.4%至21%的相对性能提升,最高可提升8.2个百分点。

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