Graph neural networks (GNNs) have emerged as a powerful tool for graph classification and representation learning. However, GNNs tend to suffer from over-smoothing problems and are vulnerable to graph perturbations. To address these challenges, we propose a novel topological neural framework of topological relational inference (TRI) which allows for integrating higher-order graph information to GNNs and for systematically learning a local graph structure. The key idea is to rewire the original graph by using the persistent homology of the small neighborhoods of nodes and then to incorporate the extracted topological summaries as the side information into the local algorithm. As a result, the new framework enables us to harness both the conventional information on the graph structure and information on the graph higher order topological properties. We derive theoretical stability guarantees for the new local topological representation and discuss their implications on the graph algebraic connectivity. The experimental results on node classification tasks demonstrate that the new TRI-GNN outperforms all 14 state-of-the-art baselines on 6 out 7 graphs and exhibit higher robustness to perturbations, yielding up to 10\% better performance under noisy scenarios.


翻译:图表神经网络(GNNs)已成为图表分类和代表性学习的有力工具,然而,GNNs往往会遇到过大的问题,容易受到图形扰动的影响。为了应对这些挑战,我们提议了一个新的地形关系推断的地形神经框架(TRI),这个框架可以将更高层次的图形信息与GNNs结合起来,并系统地学习本地图形结构。关键的想法是利用小节点邻区的持久性同质来重新连接原始图形,然后将提取的表情摘要作为侧面信息纳入本地算法。因此,新框架使我们能够利用图表结构上的常规信息以及图表更高层次的表情特性上的信息。我们从理论上保证了新的当地地形表情的稳定性,并讨论了其对图形的代数连通性的影响。诺德分类任务的实验结果表明,新的TRI-GNNs在6个图形上比所有14个最先进的基线都好,并展示了更坚固的透度,从而在10个摄氏度下产生更高性。

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