We investigate size-induced distribution shifts in graphs and assess their impact on the ability of graph neural networks (GNNs) to generalize to larger graphs relative to the training data. Existing literature presents conflicting conclusions on GNNs' size generalizability, primarily due to disparities in application domains and underlying assumptions concerning size-induced distribution shifts. Motivated by this, we take a data-driven approach: we focus on real biological datasets and seek to characterize the types of size-induced distribution shifts. Diverging from prior approaches, we adopt a spectral perspective and identify that spectrum differences induced by size are related to differences in subgraph patterns (e.g., average cycle lengths). We further find that common GNNs cannot capture these subgraph patterns, resulting in performance decline when testing on larger graphs. Based on these spectral insights, we introduce and compare three model-agnostic strategies aimed at making GNNs aware of important subgraph patterns to enhance their size generalizability: self-supervision, augmentation, and size-insensitive attention. Our empirical results reveal that all strategies enhance GNNs' size generalizability, with simple size-insensitive attention surprisingly emerging as the most effective method. Notably, this strategy substantially enhances graph classification performance on large test graphs, which are 2-10 times larger than the training graphs, resulting in an improvement in F1 scores by up to 8%.


翻译:我们研究了图中由尺寸引起的分布偏移,并评估了其对图神经网络(GNN)泛化到比训练数据更大图的能力的影响。现有文献关于GNN尺寸泛化能力存在相互矛盾的结论,这主要源于应用领域的差异以及关于尺寸引起的分布偏移的不同假设。受此启发,我们采取数据驱动的方法:聚焦于真实生物数据集,旨在刻画由尺寸引起的分布偏移类型。与先前方法不同,我们从频谱视角出发,发现由尺寸引起的频谱差异与子图模式(例如平均环长)的差异密切相关。我们进一步发现,常见的GNN无法捕捉这些子图模式,导致在更大图上测试时性能下降。基于这些频谱见解,我们提出并比较了三种与模型无关的策略,旨在使GNN感知重要的子图模式以增强其尺寸泛化能力:自监督、数据增强和尺寸无关注意力。我们的实证结果表明,所有策略均能提升GNN的尺寸泛化能力,而简单的尺寸无关注意力意外地成为最有效的方法。值得注意的是,该策略显著提升了在大型测试图(其尺寸是训练图的2至10倍)上的图分类性能,F1分数最高提升8%。

0
下载
关闭预览

相关内容

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
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
3+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
VIP会员
最新内容
乌克兰纵深打击如何重塑俄罗斯的战略选择
专知会员服务
1+阅读 · 今天12:25
俄乌战争中关于中程打击无人机部署的经验启示
专知会员服务
0+阅读 · 今天12:08
《基于强化学习的自动化红队测试》
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
伊朗不对称防空战略的演进
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
对抗环境下超视距目标打击的情报支援
专知会员服务
10+阅读 · 7月22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
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
3+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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员