In node classification tasks, heterophily and oversmoothing are two problems that can hurt the performance of graph convolutional neural networks (GCNs). The heterophily problem refers to the model's inability to handle heterophilous graphs where neighboring nodes belong to different classes; the oversmoothing problem refers to the model's degenerated performance with increasing number of layers. These two seemingly unrelated problems have been studied mostly independently, but there is recent empirical evidence that solving one problem may benefit the other. In this work, beyond empirical observations, we aim to: (1) analyze the heterophily and oversmoothing problems from a unified theoretical perspective, (2) identify the common causes of the two problems, and (3) propose simple yet effective strategies to address the common causes. In our theoretical analysis, we show that the common causes of the heterophily and oversmoothing problems--namely, the relative degree of a node and its heterophily level--trigger the node representations in consecutive layers to "move" closer to the original decision boundary, which increases the misclassification rate of node labels under certain constraints. We theoretically show that: (1) Nodes with high heterophily have a higher misclassification rate. (2) Even with low heterophily, degree disparity in a node's neighborhood can influence the movements of node representations and result in a "pseudo-heterophily" situation, which helps to explain oversmoothing. (3) Allowing not only positive but also negative messages during message passing can help counteract the common causes of the two problems. Based on our theoretical insights, we propose simple modifications to the GCN architecture (i.e., learned degree corrections and signed messages), and we show that they alleviate the heteorophily and oversmoothing problems with experiments on 9 networks.


翻译:在节点分类任务中,偏执和过度偏执是两个问题,它们可能损害图形神经神经网络(GCNs)的性能。9个偏执的问题是指模型无法处理相邻节点属于不同阶级的异性嗜血性图表;过度偏执的问题是指模型性能随着层层的增加而下降。这两个似乎无关紧要的问题大多是独立研究的,但最近有经验证据表明,解决一个问题可能有益于另一个问题。在这项工作中,除了经验性观察外,我们的目标是:(1) 从统一的理论角度分析偏执和过度移动的问题,(2) 找出两个问题的共同原因,(3) 提出解决共同原因的简单而有效的战略。在我们理论分析中,我们表明模式偏差和过度偏差问题的共同原因—— 即节点的相对程度及其偏差程度, 将连续两层的节点表示“运动” 接近最初的理论状态, 并且不会使我们更接近最初的决定状态, 导致高层次的偏差率率。我们表明, 高层次的偏差率率会显示, 高的偏差率会显示我们之间的偏差率率, 。

1
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
43+阅读 · 2021年4月12日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年11月3日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
99+阅读 · 2019年10月9日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Graph Neural Networks 综述
计算机视觉life
29+阅读 · 2019年8月13日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
19+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年11月12日
可解释的CNN
CreateAMind
17+阅读 · 2017年10月5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
Arxiv
7+阅读 · 2021年7月5日
Arxiv
4+阅读 · 2020年9月28日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月24日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
VIP会员
相关VIP内容
专知会员服务
43+阅读 · 2021年4月12日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年11月3日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
99+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Graph Neural Networks 综述
计算机视觉life
29+阅读 · 2019年8月13日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
19+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年11月12日
可解释的CNN
CreateAMind
17+阅读 · 2017年10月5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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员