The pairwise interaction paradigm of graph machine learning has predominantly governed the modelling of relational systems. However, graphs alone cannot capture the multi-level interactions present in many complex systems and the expressive power of such schemes was proven to be limited. To overcome these limitations, we propose Message Passing Simplicial Networks (MPSNs), a class of models that perform message passing on simplicial complexes (SCs) - topological objects generalising graphs to higher dimensions. To theoretically analyse the expressivity of our model we introduce a Simplicial Weisfeiler-Lehman (SWL) colouring procedure for distinguishing non-isomorphic SCs. We relate the power of SWL to the problem of distinguishing non-isomorphic graphs and show that SWL and MPSNs are strictly more powerful than the WL test and not less powerful than the 3-WL test. We deepen the analysis by comparing our model with traditional graph neural networks with ReLU activations in terms of the number of linear regions of the functions they can represent. We empirically support our theoretical claims by showing that MPSNs can distinguish challenging strongly regular graphs for which GNNs fail and, when equipped with orientation equivariant layers, they can improve classification accuracy in oriented SCs compared to a GNN baseline. Additionally, we implement a library for message passing on simplicial complexes that we envision to release in due course.


翻译:图形机器学习的配对互动模式主要制约了关系系统的建模。然而,光是图表无法捕捉许多复杂系统中存在的多层次互动,而且这种计划的表达力被证明是有限的。为了克服这些限制,我们提议了“传递信息简化网络”(MPSNS),这是一个在简单复合(SCs)上传递信息的模型类别,它不比3-WL测试能力小。我们通过将我们的模式与传统图形神经网络进行比较来深化分析。我们引入了一个Simlicial Weisfeiler-Lehman(SWL)的模型的直观性化程序,以区分非畸形的SC(SWL)的颜色程序。我们通过将SWL的力量与区分非正态图形的问题联系起来。我们将SWL的力量与非正态图的显示问题联系起来。SWL和MPSNS(M)的严格来说,SWR和MPS(S)的精确度比G-NF)的常规水平。我们通过一个具有挑战性的图书馆,可以将SDIS(G-NS)在常规方向上进行对比。

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