【CMU博士论文】朝着更强大的图表示学习迈进

图在现实世界中广泛应用于表示关系，许多数据自然可以通过图来表示，如社交网络、蛋白质结构、分子和交易等。与具有特定自然顺序的图像和文本不同，图是无序的，并且具有排列不变性，这为学习良好的表示带来了显著的困难。图神经网络（GNNs）被提出并不断改进，用于图表示学习。本文在节点级别和图级别表示学习方面进行了研究，并提出了朝着更强大的表示学习迈进的解决方案，目标是实现图的基础模型。 在第一部分，我专注于节点级别的图表示学习，并解决一个关键问题——“表示过度平滑”。为了进一步理解图卷积网络（GCNs）的优势，我们探讨了神经网络与主成分分析（PCA）之间的关系。我们的研究表明，图正则化PCA的解与单个图卷积层的公式是相一致的。

在第二部分，我深入研究了图级别的表示学习。与多层感知机（MLPs）不同，MLPs是表格数据的通用函数近似器，而图神经网络（GNNs）具有有限的表达能力。我探讨了两种方法来增强GNN的表达能力：使用有根子图来提高局部结构意识；以及探索无序的高阶交互，以实现与有序交互相当的表达能力，同时在实际应用中获得更好的可扩展性。 在第三部分，我专注于图的生成模型。与需要标签来学习任务依赖表示的判别模型不同，生成模型在无监督表示学习方面表现出色。然而，图生成由于其无序性而面临独特的挑战，这要求一种与任何特定顺序无关的方法。为了解决这个问题，我首先研究了应用于类别数据的扩散模型，并提出简化并统一现有的离散时间和连续时间离散扩散。基于统一的离散扩散，我提出了一种基于部分顺序的扩散模型，将自回归方法与扩散模型相结合，用于图生成。该方法为图上的生成预训练奠定了基础。 在最后一部分，我探索了图表示学习的应用。具体而言，我研究了图级别异常检测（GLAD），该方法具有许多重要应用。由于GLAD研究较少，我建立了一个基于图神经网络的强基准模型“OCGIN”，一个包含数据集和许多非图神经网络基准的评估平台。我还发现并研究了一个名为“性能反转”的问题。随后，我设计了一个特定模型，用于检测普华永道的可疑会计交易，该任务需要处理带属性的图数据。