• How Powerful are Graph Neural Networks?


    Xu K., Hu W., Leskovec J. and Jegelka S. How powerful are graph neural networks? In International Conference on Learning Representations (ICLR), 2019.

    本文通过理论分析剖析怎么样结构的 GNN 是和 WL-Test 有相同的表达能力的, 从而设计出了 GIN.

    符号说明

    • \(G = (V, E)\), 图;
    • \(X_v, v \in V\), node features;
    • \(\mathcal{N}(v)\), 一阶邻居结点;
    • \(\{\!\{\cdot \}\!\}\), multiset;
    • 一般的 GNN 的结构可以归纳为:

      \[a_v^{(k)} = \text{AGGREGATE}^{(k)} (\{h_u^{(k-1)}: u \in \mathcal{N}(v)\}) \\ h_v^{(k)} = \text{COMBINE}^{(k)}(h_v^{(k-1)}, a_v^{(k)}), \]

      倘若, GNN 是用于区分图的, 则最后的输出还对结点进行整合:

      \[h_G = \text{READOUT} (\{h_v^{(K)}: v \in G\}), \]

      并最终用于分类 (否则 \(h_v^{(K)}\) 即可用于 node 的分类了).

    本文思路

    我没看证明, 所以细节是不懂的, 甚至是错的, 因为觉得有趣, 这里只是记录下本文的思路.

    1. Lemma2 证明凡是 GNN 能够区分的异构图, 通过 WL-Test 一样能够区分, 这就说明了 GNN 的表达能力的上限是 WL-Test;

    2. Theorem 3 证明, 当 GNN 为如下形式

      \[h_v^{(k)} = \phi(h_v^{(k-1)}, g(\{\!\{h_u^{(k-1)}: u \in \mathcal{N}(v)\}\!\})), \]

      的时候, 且 \(\phi\) 为单射, \(g\) 是作用在 multiset 上的映射, 此外, 最后的 \(\text{READOUT}\) 同样是定义在 multiset 上的单射, 则倘若该 GNN 足够深, 它的表达能力和 WL-TEST 一致;

    3. Corollary 6 证明了, 定理 3 中的单射 \(\phi\) 是存在的, 事实上存在 \(f\) 和无穷多的 \(\epsilon\) (包括所有无理数) 使得

      \[h_v^{(k)} = (1 + \epsilon) \cdot f(h_v^{(k-1)}) + \sum_{w \in X} f(h_w^{(k-1)}), \forall v \in V \]

      都是不同的, 我们也可以搞得更加复杂一点, 变成:

      \[h_v^{(k)} = \varphi((1 + \epsilon) \cdot f(h_v^{(k-1)}) + \sum_{w \in X} f(h_w^{(k-1)})), \forall v \in V, \]

      注意到,

      \[f^{(k+1)}(h_v^{(k)}) = f^{(k+1)} \circ \varphi^{(k)} (\cdots), \]

      故我们可以用 MLP 来拟合 \(f^{(k+1)}\circ \varphi^{(k)}\), 于是可以记作

      \[h_v^{(k)} = \text{MLP}^{(k)}((1 + \epsilon) \cdot h_v^{(k-1)} + \sum_{w \in X} h_w^{(k-1)}), \forall v \in V. \]

    4. 对于基于图的分类, 最后采用如下的

      \[h_G = \text{CONCAT(READOUT}(\{h_v^{k}|v \in G\}) | k = 0,1,2,\ldots, K ), \]

      \(\text{READOUT}\) 采用 summing.

    代码

    [official]

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/MTandHJ/p/16698106.html
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