前言

为何写作本书

近年来，作为一项新兴的图数据学习技术，图神经网络（GNN）受到了非常广泛的关注。2018年年末，发生了一件十分有趣的事情，该领域同时发表了三篇综述类型论文，这种“不约而同”体现了学术界对该项技术的认可。事实上，在2019年的各大顶级学术会议上，与图神经网络有关的论文也占据了相当可观的份额。相信在未来几年，这种流行的趋势会只增不减。

图神经网络技术的出现有其必然性和重要性。在深度神经网络技术兴起的前几年，图像、语音、文本等形式的数据都能都能在深度学习中被很好地应用，并获得了十分好的效果。这促使大量的相关应用进入了实用阶段，如人脸识别、语音助手、机器翻译等。尽管如此，深度学习一直无法很好地对另一类形式的数据—图数据（或称网络数据）进行有效地适配。作为一类主要用来描述关系的通用数据表示方法，图数据在产业界有着更加广阔的应用场景，在诸如社交网络、电子购物、物联网、生物制药等场景中，都可以找到图数据的影子。将深度学习技术的成功经验迁移到图数据的学习中来，是一种十分自然且必要的需求。

在这样的背景下，图神经网络的出现很好的填补了上述技术空白，实现了图数据与深度学习技术的有效结合，使得深度学习能够在图数据的相关应用场景中继续攻城略地。事实上，纵观这三年，图神经网络技术的相关应用和研究已经拓展到了极其广泛的领域，从视觉推理到开放的阅读理解问题，从药物分子的研发到5G芯片的设计，从交通流量预测到3D点云数据的学习，该项技术都展示出了极其重要且极具渗透性的应用能力，这种能力必将给产业界带来极高的应用价值。

笔者所在公司极验在业务风控的应用场景中，长期奋战在网络攻防对抗的前线，在这样的背景下，不管是主动还是被动，都促使我们不断努力提升数据分析与数据建模的能力，一直以来，我们都期望有一套端对端的模型来高效学习数据中的关系或结构化信息。极验在2017年年中与图神经网络技术结缘，正好提供了这样的契机，在对该项技术进行多番论证并上线到极验的实际业务中后，取得了超出预期的效果，这极大提升了我们对该项技术的热情。同时，为了更好地对这项新技术进行讨论和学习，我们组织了相应的学习社群，大家都表现出了高昂的热情，这份热情激励笔者将更多精力投入到该项技术上，也正因如此，写一本关于图神经网络的书籍的想法应运而生。期望通过本书，让读者朋友对该项技术的来龙去脉有更清晰、全面的认识。如果能产生更大的知识分享成果，那么本书的价值就更高了，这将是对我们的最好回报。

本书读者对象

□想学习并初步实践图神经网络技术的读者

□想较系统且深入理解图神经网络技术的读者

本书主要内容

本书分为三大部分：

第一部分为基础篇，包括第1～4章，其中第1章中笔者撰写，第2～4章由李彦霖撰写。主要介绍学习图神经网络所需的基础知识，包括图的基本概念、卷积神经网络以及表示学习，帮助初学者更加清晰地认识到图神经网络技术与深度学习技术是一脉相承的。

第二部分为高级篇，包括第5～9章。这部分是本书的重点，主要讲解图卷积神经网络的理论基础和性质、图神经网络的各种变体和框架范式、图分类以及基于GNN的图表示学习。该部分的各章节都有相关的实践案例，为读者规划了完整的从理论到实践的学习路线，帮助读者系统全面地学习图神经网络。这部分有两位作者，理论部分由笔者撰写，实践案例的代码由李彦霖提供。

第三部分为应用篇，即第10章，主要介绍了图神经网络目前的一些应用。图神经网络的应用非常广泛，现实应用场景非常多，但鉴于本书的规划，这里只是略着笔墨，旨在抛砖引玉，让读者对应用场景有一定的认知。这部分由周洋撰写。

最后，每个章节都附有相关的参考文献。

本书特色

本书有如下特色：

（1）详细阐述了图卷积模型的由来，以及什么是频域图卷积和空域图卷积，这是很多初学者学习该技术的第一只“拦路虎”；

（2）集中阐述了图卷积模型的性质，这些性质的解读对读者深入地理解图神经网络技术有着重要的作用；

（3）给出了关键部分的代码，希望能辅助读者清晰理解书中的一些公式里的变量的具体含义。

（4）本书为了帮助读者理解图神经网络的相关概念和技术，提供了很多示意图。

勘误和支持

由于作者的水平有限，编写时间仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。如果你遇到任何问题，可以访问我们专门为本书创建的技术主页https://github.com/FighterLYL/GraphNeuralNetwork，我们将尽量为读者提供满意的解答。如果你有更多宝贵的意见，也欢迎发送邮件至邮箱yfc@hzbook.com，期待能够得到你们的真挚反馈。

致谢

首先要感谢这个开放的时代，深度学习技术的爆发离不开产、学、研的紧密结合，在信息开放、知识分享的大背景下，我们每一个人都是其中的受益者。

感谢笔者所在公司极验科技，对本书的写作提供了大力支持，特别是同事谢永芬，完成了书稿所有章节的初排工作，为其中大量的公式和插图付出了许多精力。

感谢机械工业出版社华章公司的编辑杨福川和张锡鹏，在这段时间始终支持我们的写作，他们的耐心和专业引导我们顺利完成了撰写工作。

最后，感谢我的妻子，她理解并支持我这段时间的挑灯写作，家人的关怀是我前进的动力！

刘忠雨