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 $O(n^2)$ 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, 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 superior performance on almost all tasks, with record-breaking results on ZINC-Subset (0.059) and ZINC-Full (0.013), outperforming previous state-of-the-art results by 10.6% and 40.9%, respectively.


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Weisfeiler-Lehman(1-WL)测试。部分工作受$k$-WL/FWL(Folklore WL)启发并设计了相应的神经版本。尽管具有高表达能力,该研究方向仍存在严重缺陷:(1)$k$-WL/FWL至少需要$O(n^k)$空间复杂度,即使当$k=3$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,我们提出扩展方案$(k,t)$-FWL。理论证明,即使将$(k,t)$-FWL的空间复杂度固定为$O(n^2)$,仍可构建直至解决图同构问题的表达能力层次结构。针对第二个问题,我们提出$k$-FWL+,该方案将任意等变集合(而非全部节点)视为邻居,极大扩展了$k$-FWL的设计空间。将这两项改进结合,形成灵活而强大的框架$(k,t)$-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,我们引入$(k,t)$-FWL+的实例——邻域平方FWL(N$^2$-FWL),其在理论和实践上均具有优势。我们证明N$^2$-FWL的表达能力不低于3-WL,能编码多种子结构且仅需$O(n^2)$空间。最后,我们设计其神经版本N$^2$-GNN,并在多种任务上评估其性能。N$^2$-GNN在几乎所有任务中均取得卓越表现,在ZINC-Subset(0.059)和ZINC-Full(0.013)上创下新纪录,分别相较此前最优结果提升10.6%和40.9%。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
54+阅读 · 2020年11月3日
专知会员服务
124+阅读 · 2020年9月8日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10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
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+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
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月26日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
Arxiv
19+阅读 · 2021年2月4日
Identity-aware Graph Neural Networks
Arxiv
14+阅读 · 2021年1月25日
Directional Graph Networks
Arxiv
27+阅读 · 2020年12月10日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
24+阅读 · 2018年10月24日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
VIP会员
最新内容
印度精确打击与指挥架构的断层
专知会员服务
4+阅读 · 7月20日
美空军AI完成F-16战斗机自主空战历史性试飞
专知会员服务
6+阅读 · 7月20日
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
锻造未来士兵:外骨骼、基因工程与赛博格
专知会员服务
7+阅读 · 7月19日
《无人机蜂群通信技术研究》50页
专知会员服务
10+阅读 · 7月19日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
54+阅读 · 2020年11月3日
专知会员服务
124+阅读 · 2020年9月8日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10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
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月26日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
Arxiv
19+阅读 · 2021年2月4日
Identity-aware Graph Neural Networks
Arxiv
14+阅读 · 2021年1月25日
Directional Graph Networks
Arxiv
27+阅读 · 2020年12月10日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
24+阅读 · 2018年10月24日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
相关基金
国家自然科学基金
1+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
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员