In spite of the plethora of success stories with graph neural networks (GNNs) on modelling graph-structured data, they are notoriously vulnerable to over-squashing, whereby tasks necessitate the mixing of information between distance pairs of nodes. To address this problem, prior work suggests rewiring the graph structure to improve information flow. Alternatively, a significant body of research has dedicated itself to discovering and precomputing bottleneck-free graph structures to ameliorate over-squashing. One well regarded family of bottleneck-free graphs within the mathematical community are expander graphs, with prior work$\unicode{x2014}$Expander Graph Propagation (EGP)$\unicode{x2014}$proposing the use of a well-known expander graph family$\unicode{x2014}$the Cayley graphs of the $\mathrm{SL}(2,\mathbb{Z}_n)$ special linear group$\unicode{x2014}$as a computational template for GNNs. However, in EGP the computational graphs used are truncated to align with a given input graph. In this work, we show that truncation is detrimental to the coveted expansion properties. Instead, we propose CGP, a method to propagate information over a complete Cayley graph structure, thereby ensuring it is bottleneck-free to better alleviate over-squashing. Our empirical evidence across several real-world datasets not only shows that CGP recovers significant improvements as compared to EGP, but it is also akin to or outperforms computationally complex graph rewiring techniques.


翻译:尽管图神经网络(GNN)在建模图结构数据方面取得了诸多成功,但它们普遍易受过度挤压的影响,即任务需要混合距离较远的节点对之间的信息。为解决此问题,先前的研究建议对图结构进行重布线以改善信息流。此外,大量研究致力于发现并预计算无瓶颈的图结构以缓解过度挤压。在数学界,一类备受推崇的无瓶颈图是扩展图,先前工作——扩展图传播(EGP)——提出使用一个著名的扩展图族,即特殊线性群 $\mathrm{SL}(2,\mathbb{Z}_n)$ 的凯莱图,作为GNN的计算模板。然而,在EGP中,所使用的计算图被截断以与给定的输入图对齐。本文中,我们证明截断会损害所期望的扩展性质。相反,我们提出了CGP,一种在完整的凯莱图结构上传播信息的方法,从而确保其无瓶颈,以更好地缓解过度挤压。我们在多个真实世界数据集上的实证证据不仅表明CGP相较于EGP恢复了显著的性能提升,而且其效果与计算复杂的图重布线技术相当甚至更优。

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