Graph Neural Networks (GNNs) have achieved much success on graph-structured data. In light of this, there have been increasing interests in studying their expressive power. One line of work studies the capability of GNNs to approximate permutation-invariant functions on graphs, and another focuses on the their power as tests for graph isomorphism. Our work connects these two perspectives and proves their equivalence. We further develop a framework of the expressive power of GNNs that incorporates both of these viewpoints using the language of sigma-algebra, through which we compare the expressive power of different types of GNNs together with other graph isomorphism tests. In particular, we prove that the second-order Invariant Graph Network fails to distinguish non-isomorphic regular graphs with the same degree. Then, we extend it to a new architecture, Ring-GNN, which succeeds in distinguishing these graphs and achieves good performances on real-world datasets.


翻译:图神经网络(GNN)在图结构数据上取得了显著成功。为此,对其表达能力的研究日益受到关注。一方面,相关研究探讨了GNN逼近图上置换不变函数的能力;另一方面,另一些工作聚焦于其作为图同构测试工具的潜力。本研究将这两种视角联系起来,并证明了它们之间的等价性。我们进一步利用σ-代数语言构建了一个融合上述两种观点的GNN表达能力分析框架,借此比较了不同类型GNN及其他图同构测试的表达能力。特别地,我们证明了二阶不变图网络无法区分具有相同度数的非同构正则图。随后,我们将其扩展为一种新型架构Ring-GNN,该架构不仅能成功区分这些图,还在真实世界数据集上取得了优异性能。

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