Message passing neural networks (MPNNs) have emerged as the most popular framework of graph neural networks (GNNs) in recent years. However, their expressive power is limited by the 1-dimensional Weisfeiler-Lehman (1-WL) test. Some works are inspired by $k$-WL/FWL (Folklore WL) and design the corresponding neural versions. Despite the high expressive power, there are serious limitations in this line of research. In particular, (1) $k$-WL/FWL requires at least $O(n^k)$ space complexity, which is impractical for large graphs even when $k=3$; (2) The design space of $k$-WL/FWL is rigid, with the only adjustable hyper-parameter being $k$. To tackle the first limitation, we propose an extension, $(k,t)$-FWL. We theoretically prove that even if we fix the space complexity to $O(n^k)$ (for any $k\geq 2$) in $(k,t)$-FWL, we can construct an expressiveness hierarchy up to solving the graph isomorphism problem. To tackle the second problem, we propose $k$-FWL+, which considers any equivariant set as neighbors instead of all nodes, thereby greatly expanding the design space of $k$-FWL. Combining these two modifications results in a flexible and powerful framework $(k,t)$-FWL+. We demonstrate $(k,t)$-FWL+ can implement most existing models with matching expressiveness. We then introduce an instance of $(k,t)$-FWL+ called Neighborhood$^2$-FWL (N$^2$-FWL), which is practically and theoretically sound. We prove that N$^2$-FWL is no less powerful than 3-WL, and can encode many substructures while only requiring $O(n^2)$ space. Finally, we design its neural version named N$^2$-GNN and evaluate its performance on various tasks. N$^2$-GNN achieves record-breaking results on ZINC-Subset (0.059), outperforming previous SOTA results by 10.6%. Moreover, N$^2$-GNN achieves new SOTA results on the BREC dataset (71.8%) among all existing high-expressive GNN methods.


翻译:消息传递神经网络(MPNNs)近年来已成为图神经网络(GNNs)最流行的框架。然而,其表达能力受限于一维韦费勒-莱曼(1-WL)测试。部分研究受$k$-WL/FWL(民间WL)启发,设计了相应神经网络版本。尽管具有高表达能力,该研究路线存在严重局限:(1)$k$-WL/FWL至少需要$O(n^k)$空间复杂度,即便$k=3$时对大规模图也不实用;(2)$k$-WL/FWL的设计空间僵化,唯一可调超参数仅为$k$。针对第一个局限,我们提出扩展版本$(k,t)$-FWL。理论证明,即使在$(k,t)$-FWL中将空间复杂度固定为$O(n^k)$($k\geq 2$),仍可构建出能解决图同构问题的表达能力层级结构。针对第二个问题,我们提出$k$-FWL+,其将任意等变集合而非所有节点视为邻域,从而大幅扩展了$k$-FWL的设计空间。结合这两项改进得到灵活强大的框架$(k,t)$-FWL+。我们证明$(k,t)$-FWL+能以匹配的表达能力实现大多数现有模型。随后引入$(k,t)$-FWL+的实例——邻域平方FWL(N$^2$-FWL),该模型在理论与实践上均具合理性。我们证明N$^2$-FWL的表达能力不低于3-WL,能够编码多种子结构,且仅需$O(n^2)$空间。最后,设计其神经网络版本N$^2$-GNN并在多项任务上评估性能。N$^2$-GNN在ZINC-Subset数据集上取得破纪录结果(0.059),较此前最优方法提升10.6%。此外,在所有现有高表达能力GNN方法中,N$^2$-GNN在BREC数据集上取得新最优结果(71.8%)。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
专知会员服务
0+阅读 · 43分钟前
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:46
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员