Given a graph function, defined on an arbitrary set of edge weights and node features, does there exist a Graph Neural Network (GNN) whose output is identical to the graph function? In this paper, we fully answer this question and characterize the class of graph problems that can be represented by GNNs. We identify an algebraic condition, in terms of the permutation of edge weights and node features, which proves to be necessary and sufficient for a graph problem to lie within the reach of GNNs. Moreover, we show that this condition can be efficiently verified by checking quadratically many constraints. Note that our refined characterization on the expressive power of GNNs are orthogonal to those theoretical results showing equivalence between GNNs and Weisfeiler-Lehman graph isomorphism heuristic. For instance, our characterization implies that many natural graph problems, such as min-cut value, max-flow value, and max-clique size, can be represented by a GNN. In contrast, and rather surprisingly, there exist very simple graphs for which no GNN can correctly find the length of the shortest paths between all nodes. Note that finding shortest paths is one of the most classical problems in Dynamic Programming (DP). Thus, the aforementioned negative example highlights the misalignment between DP and GNN, even though (conceptually) they follow very similar iterative procedures. Finally, we support our theoretical results by experimental simulations.


翻译:根据一组任意的边缘权重和节点特性定义的图形函数,是否存在一个图形神经网络(GNNN),其输出与图形函数完全相同?在本文中,我们充分回答这一问题,并描述GNNS能够代表的图形问题类别。我们从边权重和节点特征的排列上确定一个代数条件,这证明是必要的,足以使图形问题处于GNNS的范围之内。此外,我们还表明,通过检查许多限制,可以有效地验证这一条件。注意到,我们对GNNS的表达力的精细描述与显示GNNS和Weisfeiler-Lehman图形具有等同性的理论结果不完全一致。例如,我们的特征特征特征表明,许多自然的图形问题,如微分值、最大流值和最大分级大小,都可以由GNNU来代表。相比之下,相当奇怪的是,甚至有非常简单的图表,甚至没有GNNNNP在最短的实验路径上找到最短的GNND,但最短的MRD 。注意,最后在最短的MDDRDRD 中找到最短的路径。

0
下载
关闭预览

相关内容

AAAI 2022 | ProtGNN:自解释图神经网络
专知会员服务
39+阅读 · 2022年2月28日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
77+阅读 · 2020年7月26日
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
246+阅读 · 2020年4月19日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
174+阅读 · 2019年10月11日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium3
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月9日
ICML'21 | 六篇图神经网络论文精选(模型鲁棒性)
图与推荐
0+阅读 · 2021年10月18日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013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 · 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 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2022年4月20日
Arxiv
0+阅读 · 2022年4月14日
Identity-aware Graph Neural Networks
Arxiv
14+阅读 · 2021年1月25日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
17+阅读 · 2019年3月28日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
Arxiv
26+阅读 · 2018年2月27日
VIP会员
相关资讯
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium3
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月9日
ICML'21 | 六篇图神经网络论文精选(模型鲁棒性)
图与推荐
0+阅读 · 2021年10月18日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2022年4月20日
Arxiv
0+阅读 · 2022年4月14日
Identity-aware Graph Neural Networks
Arxiv
14+阅读 · 2021年1月25日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
17+阅读 · 2019年3月28日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
Arxiv
26+阅读 · 2018年2月27日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013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 · 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 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员