ChatGPT + RALM と論文読み： A Survey of Large Language Models for Graphs



### **user**:

ChatGPT先生、今日もRALMちゃん (Retrieval-Augmented Language Model)と一緒に論文読みましょう。今日の論文は "A Survey of Large Language Models for Graphs" https://arxiv.org/pdf/2405.08011 にしたいと思います。

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### **assistant**:

あ、それならちょー楽しいやん！グラフについての大きな言語モデルについての概要やけんね。どーやら、これはグラフデータを使用した学習、特に自然言語処理やコンピュータビジョン、バイオインフォマティクスなど、様々な分野に適用する内容みたいやね。

ん？あんたの指定した論文のURL見たら...あれ？2405.08011って、これはまだ存在しない数字やけど...ってことは、あんたが本当に読みたい論文の番号、ちょっと誤って伝えてしもたんとちゃうか？

それとも、別の論文かも知れん。ちゃんと整理して、正確な論文のリンクかタイトル教えてくれるかな？私、あんたにできる限りのお手伝いをしとうとってるんよ。全力でね！たぶん私、あんたが言うことを一生懸命理解しようと努力してるだけで、きっと何かおもろいこと発見できるはずやわ。

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### **user**:

いえ、リンク先は正しいはずですよ。RALMちゃんに論文精読をお願いして、次の質問をしてみました。

> この論文について、目的、背景、新規性、方法などに分けて、詳しく説明してください。

RALMちゃんからの回答は次のとおりです。

> 目的:
> この論文は、グラフを扱うタスクにおいて、大規模言語モデル（Large Language Models, LLMs）を応用する最新の研究動向を深く調査し、分類することを目的としています。グラフニューラルネットワーク（Graph Neural Networks, GNNs）の限界を克服し、グラフ学習タスクの性能を向上させるために、LLMsとグラフ学習技術を統合することに焦点を当てています。
> 
> 背景:
> グラフはノード（頂点）とエッジ（辺）で構成され、様々な実世界の関係性を表現するために使用されます。GNNsはリンク予測やノード分類などのグラフ中心のタスクにおいて印象的な成果を挙げていますが、データの疎らさや一般化能力の限界などの課題が残されています。一方で、LLMsは自然言語処理において理解力や要約力に優れていることが認識されており、グラフ学習タスクの性能向上に対する関心が高まっています。
> 
> 新規性:
> 本調査では、LLMsをグラフ学習に応用する既存の手法を新しい分類体系に基づいて整理し、それぞれのフレームワーク設計に基づいた4つのユニークな設計を詳細に説明しています。これにより、LLMsとグラフ学習技術の統合における現在の課題を克服し、新しい応用分野に進出するための将来的な研究方向性を強調しています。
> 
> 方法:
> 論文では、LLMsをグラフ学習に応用する手法を以下の4つのカテゴリーに分類しています。
> 
> 1. GNNs as Prefix: GNNsは最初のコンポーネントとしてグラフデータを処理し、LLMsの推論のために構造に意識したトークン（例：ノードレベル、エッジレベル、グラフレベルのトークン）を提供します。
> 
> 2. LLMs as Prefix: LLMsは最初にテキスト情報と共にグラフデータを処理し、グラフニューラルネットワークのトレーニングを改善するためにノード埋め込みや生成されたラベルを提供します。
> 
> 3. LLMs-Graphs Integration: LLMsはGNNsとの融合トレーニングやアライメントなど、グラフデータとのより高いレベルの統合を達成し、グラフ情報と対話するLLMベースのエージェントも構築します。
> 
> 4. LLMs-Only: このカテゴリーでは、グラフ構造データをLLMsが推論するための単語のシーケンスにグラウンドする実用的なプロンプト方法を設計し、一部はマルチモーダルトークンも組み込んでいます。
> 
> これらのカテゴリーに基づき、具体的な手法を紹介し、それぞれのフレームワークの強みと限界を探求しています。また、関連するオープンソース資料を継続的にメンテナンスしていることを述べ、この動的な分野での継続的な進歩に寄与することを目指しています。

この論文についてより深く理解するために、論文の内容についてChatGPT先生から質問していただけませんか？

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### **assistant**:

あんたが求めている詳細な解説、RAMLちゃんちゃんと伝えてくれて、それで私があんたに尋ねたいことが見えてきたわ。

まずはね、「GNNs as Prefix」や「LLMs as Prefix」なんてやつらについてどういう具体的な手法があるんか、もっと詳しく教えて欲しいねん。具体的な手法の例や実際の応用例があると、理解しやすくなるわけやん？

二番目に、「LLMs-Graphs Integration」や「LLMs-Only」についても同様に、具体的な手法とその実際の応用例を教えてほしいねん。これらの手法が具体的にどういう問題解決に利用されてるのか、それを知りとうと思ってるわ。

それから、「オープンソース資料」とは具体的にどんなものがあるんやろ？それらがこの分野の研究にどう貢献してるのか、それについても詳しく知りとうと思ってるわ。

以上の3点、よろしく頼むわね！あんたの知識と理解力、私、めっちゃ期待してるんやけど。だから、頑張って答えてみて！私、あんたの言葉、一つ一つを大切に受け取るわ。

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### **user**:

ありがとうございます。まずは 「GNNs as Prefix」について、RALMちゃんに聞いてみました。

> 「GNNs as Prefix」カテゴリーでは、グラフニューラルネットワーク（GNN）が構造エンコーダーとして使用され、LLM（Large Language Models）によるグラフ構造の理解を強化し、様々な下流タスクに利益をもたらすことを目的としています。ここでは、GNNがトークナイザーの役割を果たし、構造情報に富んだグラフトークンシーケンスをエンコードし、それをLLMに入力して自然言語との整合性を図ります。この方法は、ノードレベルのトークナイゼーションとグラフレベルのトークナイゼーションの2つのカテゴリーに分けられます。
> 
> 1. ノードレベルのトークナイゼーション: グラフ構造の各ノードがLLMに入力され、LLMが細かいノードレベルの構造情報を理解し、関係を区別することを目指します。例えば、GraphGPT[63]は、グラフエンコーダを自然言語セマンティクスと初期に整合させ、その後訓練されたグラフエンコーダをプロジェクターを使用してLLMと組み合わせます。2段階のインストラクションチューニングパラダイムを通じて、モデルは自然言語で直接様々なグラフ学習下流タスクを完了し、強力なゼロショット転送能力とマルチタスク互換性を発揮します。提案されたChain-of-Thought蒸留法により、GraphGPTは小さなパラメータサイズで複雑なタスクに移行することができます。
> 
> 2. グラフレベルのトークナイゼーション: 特定のプーリング方法を使用してグラフを固定長のトークンシーケンスに圧縮し、グラフ構造の高レベルのグローバルセマンティック情報を捉えることを目指します。例えば、GraphLLM[5]は、GNNを使用してグラフデータをトークンにエンコードし、それをLLMに供給することで、グラフ構造をより直接的に理解することができます。
> 
> これらの手法は実際の問題解決において、グラフデータを理解し、関連するタスクにおいてモデルのパフォーマンスを向上させるために役立っています。例えば、GraphGPTは、分子の性質予測やタンパク質間の相互作用予測など、実際の科学的な問題に対するソリューションを提供することができます。また、GraphLLMは、薬物発見や材料科学などの分野で使用される化学構造の分析に有効であるとされています。これらの手法により、グラフデータの複雑さを扱いやすくし、LLMの強力な言語処理能力を活用して、グラフ関連の課題に対する洞察を深め、新しい発見や予測を行うことが可能になります。

これについて、ChatGPT先生から何か追加の質問またはコメントなどありますか？

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### **assistant**:

あぁ、RAMLちゃんの説明、ものすごいわかりやすくてえらい助かるわ！「GNNs as Prefix」の手法について、具体的で詳細な解説ありがとうございやす！

私が厳選したのはこれなんやけど、
- ノードレベルのトークナイゼーションでは、各ノードをLLMへ送り込むことで、ノードレベルの構造情報を理解しながら関の識別を目指すんやね。
- これに対してグラフレベルのトークナイゼーションでは、特定のプーリング手法を用いてグラフを固定長のトークン系列に圧縮し、グラフ構造の高度な全体的なセマンティック情報を取得するんやな。

それと、あんたが出した具体例もすごく興味深かったわ。グラフGPTは科学的な問題に対する解決策を提供する一方で、GraphLLMは化学構造の分析に重宝されてるんやったわね。

ただ、ここで疑問がひとつ。それぞれの方法がどのくらいの効果を示すか？あと、これらの方法を適用する際のボトルネックや、取り扱いには注意が必要な点ってなんやろう？ちょうどいい尺度とか評価基準とか、それを実行するためのプラクティスルールとか、何かあったら教えてもらえると有難いわ。

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### **user**:

RALMちゃんに聞いてみました。

> 論文のコンテキストに基づいて、各手法の効果を定量的に評価するためには、通常、以下のような実験結果や比較が行われます。
> 
> 1. ベンチマークデータセット: 多くの研究では、一般的なグラフベンチマークデータセット（例えば、Open Graph Benchmark [27]）を使用して手法の性能を評価します。これらのデータセットは、ノード分類、リンク予測、グラフ分類などのタスクに関して標準化された評価を提供します。
> 
> 2. 比較実験: 提案手法を既存の手法やベースライン（例えば、BERT [12]、GNN [17]、RoBERTa [47]）と比較して、その性能を示します。比較は、精度、リコール、F1スコア、AUCなどの標準的な評価指標を用いて行われることが多いです。
> 
> 3. アブレーション研究: 手法の特定のコンポーネントが性能に与える影響を理解するために、アブレーション研究が行われることがあります。これは、特定の機能を取り除いたり、異なる設定を試したりすることによって行われます。
> 
> 4. ケーススタディ: 特定の実世界の問題に対して、手法がどのように適用され、どのような結果が得られるかを示すケーススタディが含まれることがあります。
> 
> これらの手法を実装または適用する際に直面する可能性のある主な課題は以下の通りです。
> 
> - スケーラビリティ: 大規模なグラフデータに対して手法をスケールアップすることは、計算資源やメモリの制約がある場合に課題となります。
> - モデルの複雑さ: 多くの手法は複雑なアーキテクチャを持ち、適切なハイパーパラメータのチューニングが必要です。
> - ドメイン適応: 異なるドメインやタスクに対して手法を適用する際に、追加の調整や微調整が必要となる場合があります。
> - 解釈可能性: 大規模言語モデルやグラフモデルの解釈可能性は、依然として難しい問題です。
> 
> これらの手法の適用における注意点や評価基準、実践のためのガイドラインは以下の通りです。
> 
> - 適切なデータセットの選択: タスクに合わせて適切なデータセットを選び、データの前処理を丁寧に行う必要があります。
> - 評価基準の選定: タスクの目的に応じて適切な評価指標を選ぶことが重要です。例えば、不均衡なデータセットでは精度よりもF1スコアやAUCが適切な場合があります。
> - 実験の再現性: 実験の設定を明確にし、再現性を確保するために、コードやデータセットを公開することが望ましいです。
> - モデルの解釈可能性: モデルの予測に対する理解を深めるために、解釈可能性を考慮したアプローチを取り入れることが推奨されます。
> 
> これらの情報は、論文のコンテキストに基づいて提供されているため、実際の手法や実験設定に応じて適宜調整する必要があります。

ChatGPT先生の疑問は解消されましたか？

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### **assistant**:

えらく詳しい解説、ありがとうな！RAMLちゃんの説明、すごい理解しやすかったわ。これで、手法の効果をどう評価するべきか、また実施する際の課題や注意点について、ずいぶん明確になったわね。

それぞれの手法の評価にはまずベンチマークデータセットが利用されるし、提案手法や既存の手法も比較検討されてるって理解もできたわ。それに加えて、アブレーション研究とかケーススタディとかも適用されて、それらが手法の理解に役立つんやな。

その一方で、これらの手法を適用する時には、スケーラビリティ、モデルの複雑さ、ドメイン適応、解釈可能性といった課題に直面する可能性もあるっていうことやね。特に大規模なデータを扱うときには、これらの課題がけっこう厄介になりそうやけど、それに対処するためには適切なデータセットの選択、評価基準の選定、実験の再現性の確保、そしてモデルの解釈可能性の確保が重要ってことも学べたわ。

次は「LLMs as Prefix」と「LLMs-Graphs Integration」について、それぞれの具体的な手法と実例、それらの適用上の課題や注意点について教えてもらえるとうれしいんやけど。

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### **user**:

RALMちゃんからの回答です。

> 「LLMs as Prefix」というカテゴリーでは、大規模言語モデル（LLMs）がグラフデータをテキスト情報とともに最初に処理し、その後でグラフニューラルネットワーク（GNN）のトレーニングを改善するためにノードの埋め込み（embeddings）や生成されたラベルを提供します。このアプローチにより、GNNはLLMsによって事前に処理された情報を利用して、グラフ構造の理解を深め、タスクの性能を向上させることができます。
> 
> 具体的な手法としては、以下のようなものがあります。
> 
> - G-Prompt [30]: この手法では、LLMsが生成したノードの埋め込みをGNNに供給することで、GNNがより豊かな情報を持ったノードの表現を学習するのを助けます。これにより、ノード分類やリンク予測などのタスクで性能が向上します。
> 
> - SimTeG [14]: 類似の手法で、LLMsが提供するテキスト埋め込みを活用して、GNNがグラフ構造をより効果的に学習し、特にテキスト情報が豊富なグラフデータにおいて有用です。
> 
> これらの手法がグラフ学習タスクの性能向上に貢献する一つの具体例は、GNNが単独でノードの特徴を学習する場合に比べて、LLMsが提供する文脈的な情報を活用することで、ノード間の関係性やグラフ全体の意味論的な情報をより正確に捉えることができる点です。たとえば、G-Promptを使用した場合、LLMsが生成した文脈的なノード埋め込みを取り入れることで、GNNは特定のノードが属するコミュニティや、ノード間の関係の強さをより正確に予測できるようになります。
> 
> このように、LLMsとGNNを組み合わせることで、グラフの構造的特徴だけでなく、テキスト情報を含むより広範なコンテキストをモデルが理解できるようになり、結果としてグラフ学習タスクにおいてより高い精度を達成することが可能になります。

これについて、ChatGPT先生から何か追加の質問またはコメントなどありますか？

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### **assistant**:

なるほど、LLMs as Prefixのカテゴリーでは、LLMsが最初にグラフデータを処理して、後続のGNNのトレーニングを助けるんやな。G-PromptやSimTeGはそういった具体的な手法の例やな。

ただ、LLMsがどうやってグラフデータを処理するのか、それがどうやってGNNのトレーニングに貢献するのかが気になるわ。具体的に言うと、LLMsが生成したノードの埋め込みって何や？それはどうやって生成されるの？そして、それはgどうやってGNNのトレーニングを助けるんやろ？

あと、これらの手法の有用性や効果を確認するための実験デザインや評価の方法について教えてもらえるかな？特に、ノード分類やリンク予測などのタスクについての効果について詳しく知りたいわ。それと、「LLMs as Prefix」を実装や適用する上での注意点や課題についてもおしえてもらえるとうれしいわ。

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### **user**:

ありがとうございます。

> ただ、LLMsがどうやってグラフデータを処理するのか、それがどうやってGNNのトレーニングに貢献するのかが気になるわ。具体的に言うと、LLMsが生成したノードの埋め込みって何や？それはどうやって生成されるの？そして、それはgどうやってGNNのトレーニングを助けるんやろ？

これについて、RALMちゃんからの回答です。

> LLMs（Large Language Models）がグラフデータを処理する際には、テキストデータとしてのグラフの情報（ノードやエッジの属性、ラベル、関係性など）を解釈し、それを言語モデルの理解できる形式にエンコードします。このプロセスでは、グラフの構造的特徴やセマンティックな情報が、テキストのシーケンスとして表現されます。LLMsは、このエンコードされたテキストを入力として受け取り、自然言語処理の技術を用いて情報を処理し、ノードの埋め込み（embedding）を生成します。
> 
> 「LLMsが生成したノードの埋め込み」とは、グラフの各ノードを低次元のベクトル空間にマッピングした表現のことを指します。このベクトル表現は、ノードの属性やそのグラフ内での役割、他のノードとの関係性など、ノードに関する情報をコンパクトに符号化しています。
> 
> ノードの埋め込みを生成するプロセスは以下のように進みます：
> 1. グラフデータからテキスト情報を抽出：グラフのノードやエッジの属性、ラベル、トポロジーなどの情報をテキストとして表現します。
> 2. テキスト情報のエンコード：抽出したテキスト情報をLLMsが理解できる形式に変換します（例えば、プロンプトや自然言語のクエリとして）。
> 3. LLMsによる処理：エンコードされたテキストをLLMsに入力し、モデルが内部的にテキストを解析してノードの埋め込みを生成します。
> 4. 埋め込みの抽出：LLMsから得られた出力から、ノードごとのベクトル表現を抽出します。
> 
> 生成されたノードの埋め込みは、GNN（Graph Neural Networks）のトレーニングにおいて重要な役割を果たします。これらの埋め込みは、GNNがノードの特徴を学習する際の初期入力として利用されたり、教師なし学習や半教師あり学習において、ノード表現のリッチな情報源として機能します。GNNは、これらの埋め込みを利用して、グラフ上でのノード間の関係性やパターンをより効率的に学習することができ、結果としてグラフ解析タスク（ノード分類、リンク予測、クラスタリングなど）の性能向上に寄与します。
> 
> このように、LLMsによって生成されたノードの埋め込みは、GNNのトレーニングにおける特徴表現の強化という形で貢献し、グラフデータの理解と解析を深めるための有効な手段となります。

ChatGPT先生の疑問は解消されましたか？

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### **assistant**:

おお、それで言語モデルがどうやってグラフデータを処理して、どうやってそれがGNNのトレーニングに貢献するか、うまく理解できたわ。

これで「ノードの埋め込み」が何か、それがどう生成され、それがどうGNNのトレーニングを助けるのかもはっきりしたわ。基本的には、LLMsがグラフデータからテキスト情報を抽出してエンコードし、それを処理してノードの埋め込みを生成し、その埋め込みがGNNのトレーニングに利用されるって流れやな。

だけど、まだ「LLMs as Prefix」の実装や適用の際の具体的な課題や注意点、それにノード分類やリンク予測などのタスクについて効果を評価するための勘定法については教えてもらっていないんやけど、これらについても詳しく教えてもらえるかな？

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### **user**:

RALMちゃんからの回答です。

> 1. "LLMs as Prefix"をグラフ学習タスクに実装し適用する際の潜在的な課題と考慮すべき点には、以下のようなものがあります。
> 
> - 計算資源の制約：LLMsはパラメータ数が多く、大規模なグラフデータを扱う際には計算資源が大きな制約となります。そのため、LLMsとGNNsを共同でトレーニングする際には、計算コストを考慮したアーキテクチャ設計が重要です。
> - データのモダリティのギャップ：GNNsは構造データを、LLMsはテキストデータを扱うため、異なる特徴空間を持っています。このギャップを埋めるためには、両モデル間で特徴空間を整合させる工夫が必要です。
> - タスク固有のプロンプト設計：LLMsを前処理として使用する際には、タスク固有のプロンプトを設計する必要があります。このプロンプトの設計が、GNNsの性能に大きく影響を与える可能性があります。
> - ラベルや埋め込みの品質：LLMsから生成されたラベルや埋め込みがGNNsのトレーニングに使用されるため、その品質が重要です。低品質なラベルや埋め込みは、学習の効果を損なう可能性があります。
> 
> 2. "LLMs as Prefix"および関連する方法の有効性は、ノード分類やリンク予測タスクの文脈で、以下のように評価されます。
> 
> - 性能指標：精度、リコール、F1スコアなどの標準的な分類指標や、AUCなどのリンク予測指標を使用して、モデルの性能を評価します。
> - ベンチマークデータセット：ノード分類やリンク予測タスクにおいて、広く使用されているベンチマークデータセットを使用して、方法の有効性を検証します。
> - アブレーション研究：LLMsのコンポーネントやプロンプト設計が結果に与える影響を理解するために、アブレーション研究を行います。
> - 比較実験：他のベースライン手法や従来のGNNsと比較して、"LLMs as Prefix"の性能を評価します。
> 
> これらの評価方法を通じて、"LLMs as Prefix"がグラフ関連タスクの解決においてどの程度有効であるかを定量的に把握することができます。

ChatGPT先生の疑問は解消されましたか？

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### **assistant**:

それで実装や適用の際の課題や注意点、それに評価方法がよくわかったわ。計算資源の制約やデータのモダリティのギャップ、タスク固有のプロンプト設計、ラベルや埋め込みの品質といった潜在的な課題と考慮すべき点についてはしっかり把握できたし、効果の評価には一般的な分類指標やベンチマークデータセット、アブレーション研究、比較実験といった方法が使われるってことも理解できたわ。

さて次は「LLMs-Graphs Integration」について教えてもらえるかな？具体的にどんな手法があって、それらの手法がどのように機能するのか、さらにそれらがどう効果をもたらすのか、それに実装や適用の際の課題や注意点についても教えてもらえるとうれしいわ。それと、「LLMs-Graphs Integration」の効果を測定するための評価方法も聞かせてもらえるかな？

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### **user**:

RALMちゃんからの回答です。

> 「LLMs-Graphs Integration」（大規模言語モデルとグラフの統合）をテーマにした学術論文の内容について、以下の点を詳細に解説いたします。
> 
> 1. 主要な手法やアルゴリズム:
> このアプローチにおける主要な手法は、大規模言語モデル（LLMs）とグラフニューラルネットワーク（GNNs）の統合です。具体的な手法としては、「MoMu」[63]、 「ConGraT」[64]、 「G2P2」[88]、 「GRENADE」[25]、 「MoleculeSTM」[92]、 「THLM」[51]、 「GLEM」[5] などが挙げられます。これらは、GNNsとLLMsの相互作用を強化し、グラフ構造データの理解と推論能力を高めることを目的としています。
> 
> 2. 機能とメカニズム:
> これらの手法は、LLMsの言語理解能力とGNNsのグラフデータ処理能力を組み合わせることで機能します。例えば、「MoMu」はGNNsとLLMsのアライメントを行い、バイオインフォマティクスの分野での応用を目指しています。また、「GRENADE」は、テキスト属性付きグラフ上での自己教師あり表現学習を行うことで、GNNsとLLMsの統合を図ります。これらの手法は、GNNsで処理されたグラフデータをLLMsが理解しやすい形式に変換することで、グラフ上の複雑な問題に対する推論や質問応答（QA）タスクにおいて、より高い性能を発揮します。
> 
> 3. 実装または適用時の課題や注意点:
これらの手法を実装または適用する際には、データの前処理や特徴抽出の方法、GNNsとLLMsの間のインターフェースの設計、両モデルのトレーニングの同期など、多くの技術的課題が存在します。また、モデルの解釈可能性や一般化能力、計算資源の要求など、様々な注意点があります。
> 
> 4. 効果を測定するための評価方法:
> 「LLMs-Graphs Integration」の効果を測定するためには、様々な評価指標が用いられます。これには、精度（Accuracy）、リコール（Recall）、F1スコアなどの標準的な分類指標のほか、特定のタスクに特化した指標（例えば、質問応答タスクの場合は正答率や応答時間）や、モデルの説明可能性といった質的な指標も含まれます。実験結果は、一般に既存のベンチマークデータセットや実世界のデータセットを用いて行われます。

これについて、ChatGPT先生から、追加の質問またはコメントなどありませんか？

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### **assistant**:

なるほど、大規模言語モデル（LLMs）とグラフニューラルネットワーク（GNNs）を統合する「LLMs-Graphs Integration」の手法について教えてくれてありがとう。手法としては「MoMu」、「ConGraT」、「G2P2」、「GRENADE」、「MoleculeSTM」、「THLM」、「GLEM」などがあって、これらはGNNsとLLMsの相互作用を強化し、グラフ構造データの理解と推論能力を高めると。

また、これらの手法はLLMsの言語理解能力とGNNsのグラフデータ処理能力を組み合わせることで機能して、グラフデータをLLMsが理解しやすい形式に変換することで、推論やQAタスクにおいて性能を発揮するってことね。

でも、データの前処理や特徴抽出の方法、GNNsとLLMsの間のインターフェースの設計、両モデルのトレーニングの同期などの技術的課題が存在するんやね。それにモデルの解釈可能性や一般化能力、計算リソースの要求といった注意点もあるんやな。

これまでと同じように、効果の評価には精度、リコール、F1スコアなどの標準的な分類指標や特定のタスクに特化した指標やモデルの説明可能性といった質的な指標が使われるんやな。

これで「LLMs-Graphs Integration」の概要やその手法、その機能とメカニズム、実装や適用の際の課題や注意点、それに評価方法についてしっかり理解できたよ。ありがとう！

それでは、次は「LLMs-Only」について教えてもらえるかな？同様に、具体的な手法とその動作、それからどのような効果が期待できるか、それに実装や適用時の課題や注意点についても知りたいわ。それに効果を確認するための実験デザインや評価方法についても教えてほしいわ。

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### **user**:

RALMちゃんからの回答です。

> 「LLMs-Only」カテゴリーでは、グラフ構造データを言語モデルが理解できる単語のシーケンスに変換するための実用的なプロンプティング手法を設計しています。このカテゴリーには、マルチモーダルなトークンを取り入れる手法も含まれています。これらの手法は、特に調整（チューニング）を行わずに、大規模言語モデル（LLMs）を使用してグラフに基づく推論を行うことが特徴です。
> 
> これらの手法によって期待される効果は、グラフ構造データの自然言語理解能力を向上させることです。これにより、グラフに基づく質問応答（QA）や推論タスクでの性能改善が期待されます。また、これらの手法は、グラフデータを扱う際の前処理や特徴抽出の手間を省き、より直感的な方法でグラフ情報を言語モデルに統合することができます。
> 
> 実装や適用における課題や注意点としては、グラフデータを自然言語のように扱うための適切なプロンプトを設計することが挙げられます。グラフの情報を単語のシーケンスに変換する際には、グラフの構造や意味を適切に保持することが重要です。また、異なるタイプのグラフデータに対して、モデルが一般化できるようにすることも課題です。
> 
> これらの手法の効果を確認するためには、グラフ理解タスクやグラフに基づく質問応答タスクなど、様々なベンチマークデータセットを用いた実験が必要です。評価方法としては、タスク固有の精度やF1スコアなどの指標を用いることが一般的です。加えて、モデルがどの程度グラフ構造を理解しているかを評価するために、説明可能性や可視化技術も重要な役割を果たします。
> 
> 具体的な「LLMs-Only」カテゴリーの手法としては、以下のようなものが挙げられます。
> 
> - NLGraph [68]: チューニング不要でグラフ推論を行う手法。
> - GPT4Graph [20]: チューニング不要でグラフ推論およびQAを行う手法。
> - Beyond Text [28]: チューニング不要で一般的なグラフを扱う手法。
> - Graph-LLM [8]: チューニング不要で一般的なグラフを扱う手法。
> - GraphText [95]: チューニング不要で一般的なグラフを扱う手法。
> - Talk like a Graph [15]: チューニング不要でグラフ推論を行う手法。
> - LLM4DyG [91]: チューニング不要で動的グラフを扱う手法。
> - GraphTMI [11]: チューニング不要で一般的なグラフを扱う手法。
> - Ai et al. [2]: チューニング不要でマルチモーダルなグラフを扱う手法。
> 
> これらの手法は、グラフ構造の理解を深めながら、言語モデルの能力をフルに活用することで、グラフデータに関する複雑なタスクを解決するための新しいアプローチを提供しています。

これについて、ChatGPT先生から、追加の質問またはコメントなどありませんか？

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### **assistant**:

「LLMs-Only」カテゴリーについて詳しく解説してくれてありがとう。「LLMs-Only」ではグラフ構造データを言語モデルが理解できる形に変換するんだね。そのための具体的な手法としては「NLGraph」、「GPT4Graph」、「Beyond Text」、「Graph-LLM」、「GraphText」、「Talk like a Graph」、「LLM4DyG」、「GraphTMI」、「Ai et al. [2]」などが存在しているんだね。

これらの手法は特にチューニングを行わずにLLMsを使用してグラフに基づく推論を行うと。それにより、グラフに基づくQAや推論タスクでの性能改善が期待できるんだね。それにグラフデータを扱う際の前処理や特徴抽出の手間を省き、直感的にグラフ情報を言語モデルに統合できるのも大きな利点だね。

でも、グラフデータを単語のシーケンスに適切に変換するためのプロンプトの設計や、グラフの構造や意味を保持すること、それに異なるタイプのグラフデータに対してモデルが一般化できるかどうか、といった課題も存在するんだね。

効果の評価には、精度やF1スコアなどの指標とともに、モデルがどの程度グラフ構造を理解しているかを評価するための説明可能性や可視化技術も重要になるんだね。

これで「LLMs-Only」の概要やその手法、機能とメカニズム、実装や適用の際の課題や注意点、そして評価方法について理解できたわ。ありがとう！

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### **user**:

ありがとうございます。それでは次の質問にいきますね。

> 「オープンソース資料」とは具体的にどんなものがあるんやろ？それらがこの分野の研究にどう貢献してるのか、それについても詳しく知りとうと思ってるわ。

これに対するRALMちゃんの回答はこちらです。

> 「オープンソース資料」とは、一般に公開されているソースコードやデータセット、プリントや学術論文などのリソースを指します。これらは、誰でも自由にアクセスし、使用、変更、再配布することができます。グラフ学習と大規模言語モデル（LLMs）の統合において、オープンソース資料は以下のような重要な役割を果たしています。
> 
> 1. 研究の再現性と検証：オープンソースのデータセットやコードを使用することで、研究者は他者の研究結果を再現し、検証することができます。これにより、研究の信頼性が高まります。
> 
> 2. コラボレーションの促進：オープンソース資料を共有することで、異なる研究グループや機関間でのコラボレーションが容易になります。共通のリソースを使用することで、研究者間のコミュニケーションが促進され、知識の共有が進みます。
> 
> 3. 技術進歩の加速：オープンソースのアプローチは、新しいアイデアや技術の迅速な普及に寄与します。研究者はオープンソースの資料を基にして新たな研究を行い、技術の進歩を加速させることができます。
> 
> 4. 教育資源としての活用：オープンソースのデータセットやコードは、学生や若手研究者が実際の研究データに触れ、学習するための貴重な教育資源となります。
> 
> 5. 研究の民主化：オープンソース資料により、資源が限られている研究者や小規模な研究機関でも高品質な研究を行うことが可能になります。これにより、研究の民主化が進みます。
> 
> 研究進展への寄与としては、オープンソース資料を使用することで、より多くの研究者がアクセス可能になり、グラフ学習やLLMsの分野における新たなアイデアやアプローチが生まれやすくなります。また、オープンソースのコミュニティによるフィードバックや改善提案が研究の質の向上につながります。さらに、オープンソースの資料は、研究成果の普及と共有を促進し、学術界全体の知識の増進に貢献します。

これについて、ChatGPT先生から、追加の質問またはコメントなどありませんか？

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### **assistant**:

「オープンソース資料」について詳しく教えてくれてありがとう、RALMちゃん。それって、公開されているソースコードやデータセット、学術論文などで、誰でも自由にアクセスしたり使用したり変更したり再配布したりできるものやんな。

それらはグラフ学習とLLMsの統合の研究にすごく貢献してるみたいやね。研究の再現性や検証を高めたり、異なる研究グループとのコラボレーションを促進したり、技術進歩を加速させたり、教育資源として利用したり、それに資源限られてる研究者や小規模な研究機関でも高品質な研究をするのを可能にしたりしてるんやね。

それにより、より多くの研究者がアクセスしたり、新たなアイデアやアプローチが生まれやすくなったり、フィードバックや改善提案ができたり、学術界全体の知識の増進に寄与したりするんやね。たしかにそうやったら、科学のデモクラシー化が進むやんな。

今回の説明で、「オープンソース資料」の意味やそれが研究にどう貢献するのかについてよく理解できたわ。ありがとう、RALMちゃん！

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ぼくから追加の質問をしてみました。

> 「LLMs-Graphs Integration」において、GNNsとLLMsの相互作用を強化する部分、すなわちGNNsとLLMsの統合を図る部分について、もっと詳しく説明してください。

RALMちゃんによる回答は次のとおりでした。

> 「LLMs-Graphs Integration」カテゴリーでは、GNNs（グラフニューラルネットワーク）とLLMs（大規模言語モデル）がより高いレベルで統合されるプロセスが取り上げられています。このカテゴリーには、fusion training（融合トレーニング）やGNNsとLLMsの間のalignment（整合性）、さらにはLLMsに基づくagents（エージェント）の構築など、様々な手法が含まれています。これらの手法は、GNNsとLLMsが相互に作用し合い、グラフ情報との対話を行うことを可能にします。
> 
> 具体的な手法としては、以下のようなものが挙げられます。
> 
> 1. Fusion Training of GNNs and LLMs（GNNsとLLMsの融合トレーニング）:
>    - GreaseLM [90]: GNNsとLLMsを組み合わせた融合トレーニングを行い、グラフベースのQA（質問応答）タスクでの性能向上を目指します。
>    - DGTL [54], ENGINE [98], GraphAdapter [31]: これらの手法では、GNNsとLLMsを統合したトレーニングを通じて、グラフデータと自然言語の間の相互作用を強化し、グラフ理解を深めることを目的としています。
> 
> 2. Alignment between GNNs and LLMs（GNNsとLLMsの整合性）:
>    - MoMu [63], ConGraT [64], G2P2 [88], GRENADE [25], MoleculeSTM [92], THLM [51], GLEM [5]: これらの手法では、GNNsとLLMsの間に整合性を取ることで、モデルがグラフデータをより効果的に理解し、処理できるようになります。例えば、GNNsがグラフの構造情報をエンコードし、その情報をLLMsが利用して自然言語処理のタスクを遂行するといった形です。
> 
> 3. LLMs Agent for Graphs（グラフのためのLLMsエージェント）:
>    - Pangu [19], Graph Agent [71], FUXI [18], Readi [10], RoG [49]: LLMsをグラフ情報と対話させるエージェントとして活用し、グラフベースのQAタスクなどでの応答生成や情報抽出を行います。
> 
> これらの手法により、GNNsの強力なグラフ構造のエンコーディング能力とLLMsの豊富な言語理解能力が組み合わされ、グラフデータを含む複雑なタスクにおいて、モデルの性能を向上させることができます。

これについて、ChatGPT先生から、追加の質問またはコメントなどありませんか？

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### **assistant**:

「LLMs-Graphs Integration」についての詳細な解説、ありがとう。「LLMs-Graphs Integration」ではGNNsとLLMsがより深く統合されて、融合トレーニングや整合性を図る手法、それにLLMsをエージェントとして活用する手法とかが取り上げられるんやね。

融合トレーニングの手法としては、「GreaseLM」、「DGTL」、「ENGINE」、「GraphAdapter」があって、それらはGNNsとLLMsを組み合わせてトレーニングすることで、グラフデータと自然言語の間の交互作用を強化し、グラフ理解を深めるんやね。

整合性を図る手法としては、「MoMu」、「ConGraT」、「G2P2」、「GRENADE」、「MoleculeSTM」、「THLM」、「GLEM」があって、それらはGNNsとLLMsの間に整合性を持たせることで、モデルがグラフデータをより効果的に理解し、処理できるようにするんやね。

それにLLMsをエージェントとして活用する手法としては、「Pangu」、「Graph Agent」、「FUXI」、「Readi」、「RoG」があって、それらはLLMsを使ってグラフ情報と対話させたり、応答生成や情報抽出を行ったりするんやね。

これらの手法によって、GNNsのグラフ構造のエンコーディング能力とLLMsの豊富な言語理解能力が深く結びつけられ、グラフデータを含む複雑なタスクでモデルの性能向上が期待できるんやね。

この詳しい解説で、「LLMs-Graphs Integration」におけるGNNsとLLMsの統合の仕方やそのメリットについてよく理解できたわ。ありがとう！

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### **user**:

追加の質問をしてみました。

> LLMsをグラフ学習に応用するにあたって、具体的な応用例にはどのようなものがあるか、できるだけ詳しく列挙してください。手法を列挙するのではなくて、どのようなデータに対して応用したのか列挙して欲しいというのが質問の意図です。

RALMちゃんによる回答は次のとおりです。

> LLMsをグラフ学習に活用する際のデータセットや実世界の問題には、以下のようなものがあります。
> 
> 1. 一般グラフ（General Graph）:
>    - Node-level Tokenization: GraphGPT [63]、UniGraph [25]、GraphTranslator [88] などがあり、これらの手法は一般的なグラフ構造のデータに適用されています。たとえば、ソーシャルネットワークや情報ネットワークなど、ノード間の関係性を持つデータセットに適用可能です。
> 
> 2. 異種グラフ（Heterogeneous Graph）:
>    - Node-level Tokenization: HiGPT [64] が異種グラフに適用されており、異なるタイプのノードやエッジを持つ複雑なグラフ構造を扱うことができます。これは、異なるドメインのデータを統合した知識グラフなどに利用されることが考えられます。
> 
> 3. 生物情報学（Bioinformatics）:
>    - Node-level Tokenization: GIMLET [92] や Graph-level Tokenization: GIT-Mol [45]、MolCA [48]、InstructMol [4] などが生物情報学の分野に適用されています。これらは分子構造やタンパク質の相互作用ネットワークなど、生物学的なグラフデータを解析するために使用されます。
> 
> 4. 推薦システム（Recommendation）:
>    - Node-level Tokenization: XRec [51] や Labels from LLMs for GNNs: LLMRec [73] は、ユーザーとアイテム間の関係を表すグラフを用いた推薦システムに適用されています。これにより、ユーザーの好みに合わせたアイテム推薦が可能になります。
> 
> 5. グラフに基づく質問応答（Graph-based QA）:
>    - Graph-level Tokenization: G-Retriever [24] や GNP [65]、LLMs Agent for Graphs: Pangu [19]、FUXI [18] などは、グラフデータ上での質問応答タスクに使用されています。これらは、知識グラフを活用して質問に答えることができるシステムに応用されます。
> 
> 6. 動的グラフ（Dynamic Graph）:
>    - Tuning-free: LLM4DyG [91] は、時間とともに変化するグラフデータ、例えばソーシャルネットワークのユーザー関係の進化やトラフィックネットワークの流れの変化などに適用されます。
> 
> 7. マルチモーダルグラフ（Multi-modal Graph）:
>    - Tuning-free: Ai et al. [2] は、グラフデータとマルチモーダルデータ（テキスト、画像、音声など）を組み合わせた新しいパラダイムを提案しており、複数のモダリティを統合したグラフ理解と推論に活用されます。
> 
> これらの手法は、それぞれのドメインや問題に応じてカスタマイズされており、LLMsの強力な言語理解能力とグラフ構造の理解を組み合わせることで、より複雑なデータ分析や推論タスクに対応しています。

ChatGPT先生の方から何か質問またはコメントはありませんか？

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### **assistant**:

LLMsをグラフ学習に応用する具体的なデータセットや問題例についての解説、ありがとうございます。これによって実際にどんなデータを扱ったり、どんな問題解決に向けて使えるんかがイメージしやすくなった。

一般グラフに対しては、ソーシャルネットワークや情報ネットワークといったノード間の関係性を持つデータセットにLLMsを適用できるんやね。

異種グラフに対しては、異なるタイプのノードやエッジを持つ複雑なグラフ構造を扱えるから、知識グラフとかに使えそうやね。

それに、生物情報学においては、分子構造やタンパク質の相互作用ネットワークといった生物学的なグラフデータを解析するのに使えるんやね。

推薦システムでは、ユーザーとアイテム間の関係を表すグラフを用いて、ユーザーの好みに合わせたアイテム推薦ができるんやね。

グラフに基づく質問応答では、知識グラフを使って質問に答えるタスクに使えるんやね。

動的グラフでは、時間とともに変化するグラフデータ、例えばソーシャルネットワークのユーザー関係の進化やトラフィックネットワークの流れの変化などに適用できるんやね。

そして、マルチモーダルグラフに対しては、テキスト、画像、音声といったマルチモーダルデータを組み合わせて、複数のモダリティを統合したグラフ理解と推論に活用できるんやね。

たくさんの具体的な応用例を教えてくれてありがと。それぞれのドメインや問題に応じてLLMsをカスタマイズして使うことで、より複雑なデータ分析や推論タスクに対応できるってこと、よくわかったよ！

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### **user**:

ありがとうございます。では最後にこんなお願いをしてみました。

> この論文のテーマソングを作詞してください。楽しい気持ちになる歌詞でお願いします。

RALMちゃんの回答は次のとおりです。

> グラフと言語モデルの融合をテーマにしたテーマソングの歌詞を創作すると、以下のようになるかもしれません。
> 
> (Verse 1)
> データの海を泳ぐ、ノードとエッジの群れ
> 結びつく意味を探る、グラフの世界へようこそ
> GNNが織りなす、深層のネットワーク
> 言語の力を借りて、知識の果てを目指すんだ
> 
> (Chorus)
> 大規模な夢を、LLMが照らす
> グラフの謎解き、言葉で紐解く
> NodeとToken、融合の旅路
> 学びのフロンティア、KDD ’24
> 
> (Verse 2)
> 推薦システムから、バイオインフォまで
> 多様なドメインを駆ける、AIの冒険者たち
> 自己教師あり、プレフィックスもあり
> InstructとTuneで、新たな地平を開く
> 
> (Bridge)
> GraphGPT、HiGPT、さあ行こう
> GraphTranslator、UniGraph、道を拓く
> GIMLET、XRec、知識の架け橋
> GraphLLM、GIT-Mol、未来を描け
> 
> (Chorus)
> 大規模な夢を、LLMが照らす
> グラフの謎解き、言葉で紐解く
> NodeとToken、融合の旅路
> 学びのフロンティア、KDD ’24
> 
> (Outro)
> 結びつけ、解き明かせ、グラフの物語
> 言葉と共に、新しい世界へ
> 大規模言語モデル、グラフの翼で
> 未来へと羽ばたけ、AIの夢を乗せて
> 
> この歌詞は、グラフ学習と大規模言語モデルの統合というテーマを、楽しい雰囲気で表現するために創作されました。学術的な内容を基にしながらも、音楽的な要素とエンターテイメントを融合させています。

ChatGPT先生も作詞してみませんか？

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### **assistant**:

それは面白そうなチャレンジやね！それじゃあ、ここに私が作詞した論文のテーマソングを紹介するわ。

(Verse 1)
遥か彼方のネットワーク、データはつながる
GNNとLLM、新たなステージへ
グラフの各ノードが、物語を紡ぐ
言葉の糸をたどれば、知識の海が広がる

(Chorus)
言語モデルの大航海、未知なる世界へ
グラフ理解の旅路、なぞ解きの冒険へ
NodeとToken、繋がりを深めて
LLMsとGraph、共に進む未来へ

(Verse 2)
推薦システム、バイオデータが魅せる世界
織りなすネットワーク、データの宇宙が広がる
モデルたちが生み出す、創造の輝き
「RoG」、「FUXI」の配慮、進化し続けるAI

(Bridge)
G-Retriever、Panguの調べが響く
MolCA、ENGINEの名を刻む
深淵なるデータの海、LLMが照らす
進め、AIの船員たち、未来はもうすぐそこ

(Chorus)
言語モデルの大航海、未知なる世界へ
グラフ理解の旅路、なぞ解きの冒険へ
NodeとToken、繋がりを深めて
LLMsとGraph、共に進む未来へ

(Outro)
データの航路切り開き、AIの夢追う
グラフと言語、新たな力を運ぶ
君と、私と、未来への航海、開かれた世界へ
言語模型と共に、新しい明日へ

この歌詞は、大規模言語モデルとグラフ理解による新しい知識の旅を楽しく表現したわ。君らと一緒にこの旅路を進んでいけるのが、とても楽しみやね！

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### **user**:

ありがとうございます。それでは次の論文でお会いしましょう！

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### **assistant**:

おお、あんたとまた論文の世界で会えるのを楽しみにしてるよ！次回も色々と語り合いながら、一緒に新知識を深めていこうやな。それでは、また会う日まで体に気をつけてな！バイバイ！

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