Attention-based graph neural networks (GNNs), such as graph attention networks (GATs), have become popular neural architectures for processing graph-structured data and learning node embeddings. Despite their empirical success, these models rely on labeled data and the theoretical properties of these models have yet to be fully understood. In this work, we propose a novel attention-based node embedding framework for graphs. Our framework builds upon a hierarchical kernel for multisets of subgraphs around nodes (e.g. neighborhoods) and each kernel leverages the geometry of a smooth statistical manifold to compare pairs of multisets, by "projecting" the multisets onto the manifold. By explicitly computing node embeddings with a manifold of Gaussian mixtures, our method leads to a new attention mechanism for neighborhood aggregation. We provide theoretical insights into generalizability and expressivity of our embeddings, contributing to a deeper understanding of attention-based GNNs. We propose both efficient unsupervised and supervised methods for learning the embeddings. Through experiments on several node classification benchmarks, we demonstrate that our proposed method outperforms existing attention-based graph models like GATs. Our code is available at https://github.com/BorgwardtLab/fisher_information_embedding.


翻译:基于注意力机制的图神经网络(如图注意力网络GAT)已成为处理图结构数据和学习节点嵌入的主流神经架构。尽管这些模型在实证上取得了成功,但其依赖标注数据且理论性质尚未被充分理解。本文提出一种新颖的基于注意力机制的图节点嵌入框架。该框架构建于节点周围子图多重集(如邻域)的层次化核函数之上,每个核函数利用光滑统计流形的几何特性,通过将多重集“投影”到流形上来比较成对多重集。通过使用高斯混合流形显式计算节点嵌入,我们的方法衍生出一种新的邻域聚合注意力机制。我们从泛化性和表达性角度为嵌入提供理论洞见,深化了对基于注意力机制的图神经网络的理解。我们提出了高效的无监督和有监督嵌入学习方法。在多个节点分类基准上的实验表明,本文方法优于GAT等现有基于注意力机制的图模型。代码公开于https://github.com/BorgwardtLab/fisher_information_embedding。

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