Graph Neural Networks (GNNs) have shown promising potential in graph representation learning. The majority of GNNs define a local message-passing mechanism, propagating information over the graph by stacking multiple layers. These methods, however, are known to suffer from two major limitations: over-squashing and poor capturing of long-range dependencies. Recently, Graph Transformers (GTs) emerged as a powerful alternative to Message-Passing Neural Networks (MPNNs). GTs, however, have quadratic computational cost, lack inductive biases on graph structures, and rely on complex Positional/Structural Encodings (SE/PE). In this paper, we show that while Transformers, complex message-passing, and SE/PE are sufficient for good performance in practice, neither is necessary. Motivated by the recent success of State Space Models (SSMs), such as Mamba, we present Graph Mamba Networks (GMNs), a general framework for a new class of GNNs based on selective SSMs. We discuss and categorize the new challenges when adopting SSMs to graph-structured data, and present four required and one optional steps to design GMNs, where we choose (1) Neighborhood Tokenization, (2) Token Ordering, (3) Architecture of Bidirectional Selective SSM Encoder, (4) Local Encoding, and dispensable (5) PE and SE. We further provide theoretical justification for the power of GMNs. Experiments demonstrate that despite much less computational cost, GMNs attain an outstanding performance in long-range, small-scale, large-scale, and heterophilic benchmark datasets.


翻译:图神经网络(GNNs)在图表示学习中展现出巨大潜力。大多数GNNs采用局部消息传递机制,通过堆叠多层网络在图上传播信息。然而,这些方法存在两大局限性:过度挤压和长程依赖捕获能力不足。近年来,图Transformer(GTs)作为消息传递神经网络(MPNNs)的有力替代方案兴起。但GTs存在二次计算复杂度、缺乏图结构归纳偏置以及依赖复杂的位置/结构编码(SE/PE)等问题。本文研究表明,尽管Transformer、复杂消息传递机制及SE/PE在实际应用中能取得良好性能,但并非不可或缺。受状态空间模型(SSMs)的最新进展(如Mamba)启发,我们提出图曼巴网络(GMNs),这是基于选择性SSMs的新型GNNs通用框架。我们系统讨论并分类了将SSMs应用于图结构数据时面临的新挑战,并提出设计GMNs的四个必要步骤和一项可选步骤,具体包括:(1)邻域标记化、(2)标记排序、(3)双向选择性SSM编码器架构、(4)局部编码,以及可选的(5)位置/结构编码。我们进一步为GMNs的效能提供了理论依据。实验表明,尽管计算成本大幅降低,GMNs在长程、小规模、大规模及异嗜性基准数据集上均取得了卓越性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+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
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
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
Arxiv
0+阅读 · 2024年3月25日
Arxiv
21+阅读 · 2022年11月8日
VIP会员
最新内容
2026“人工智能+”行业发展蓝皮书(附下载)
专知会员服务
6+阅读 · 今天12:11
《强化学习数学基础》
专知会员服务
4+阅读 · 今天12:07
“Maven计划”的发展演变之“Maven智能系统”应用
《无人机革命:来自俄乌战场的启示》(报告)
专知会员服务
9+阅读 · 今天6:48
《实现联合作战能力所需的技术》58页报告
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:30
以色列运用人工智能优化空袭警报系统
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:20
以色列在多条战线部署AI智能体
专知会员服务
7+阅读 · 今天6:12
相关VIP内容
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
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
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