笔记 How Powerful are Spectral Graph Neural Networks

前言

title是模仿之前的另一篇出名文章"how powerful …"
文中构筑了linear GNN 到 1-WL在一定条件下的等价关系。
出于个人兴趣原因我不是很关心模型部分。

How Powerful are Spectral Graph Neural Networks
https://arxiv.org/abs/2205.11172v1
ICML2022

一、基本理论部分

目前对于spectral的研究其实，基本上都是去掉activation的。
因为带着activation的话，很多性质难以链式推导出一个收敛结果。
当然你可能会举例说某个数学出身的大佬证subspace的文章是带着activation一起证的。
但除此之外的那些文章，从optimization出发的也好，polynomial的也罢，基本上在主流舞台上还是倾向于去掉的。（我理解的是for mathematical elegance）
而且，需要特别注意的是，即便是那篇文章，也只能适用于 activation === ReLU ，是没有办法推广到其他activation的。
倒不如这么说，“如果activation能被merge到theoretical部分就带上，反之就丢弃”已经是很自然的一件事了。

这篇ICML2022的paper的出发点大致于此。
既然大家的理论都是在分析去掉之后如何如何，那为啥实践就非得带上呢。（在过去我们可以把这种gap，解释为理论到实践的参差，用理论研究的理想性假设糊弄过去）
能不能干脆证明理论上不带activation就足够好，我实践也干脆不要了呢？
这就是我理解的全文立意起点了。
研究没有activation时的表达能力上限。

当然了，作者原文的用词是 linear GNN。
意思是去掉了non-linear function 的GNN。
用$g(\hat{L})$表示任意spectral filter。
$\text{linear GNN}=g(\hat{L})XW$

众所周知，任意linear GNN由filter和transformation两个部分组成。

Condition

1. one-dimensional prediction
2. no multiple eigenvalues
3. no missing frequency component

满足上面3个条件，linear GNN可以逼近任何1维的prediction。
例如对一个2分类问题，输出结果是out.shape = (N,1)

作者说对于multi-dimensional prediction，可以采用暴力的方式，
每个dimension一个linear GNN。(需要不同的filter和transformation)
这是因为一个linear GNN最多只能完全表达一个dimension。

4.1 原文写的有点乱。
Proposition 4.2说如果$X$是行不满秩的，那么总有multi-dimension prediction是linear GNN无法逼近的。
我看完Appendix里的证明才知道他想说啥…

用自己的语言表达一下。

二、Section 4.1 multi-dimensional部分拆解

首先，特征矩阵行不满秩，是大概率事件。因为 $Shape(X)=(N,d)$ ，一般来说 $N>>d$。
此时，如果我们想用 linear GNN = gXW 这个框架去逼近一个k-dimensional prediction，即输出 (N,k)。
k=1时，表达能力是充分的。
k>1时，表达能力不够。

所以才会在k>1时，提出用k个linear GNN来分别学习k个dimension。

不妨先看空域上的情况。

考虑 k=1

2.0 证明k=1时是充分的

原文证明感觉有点问题。

第一部分，${\mathbb{R}}^d-{\cup }_{i=1}^n{V}_i\ne \{0\}$能由 $V_i$ is a proper subspace推导出来?

Q：N个proper subspace的union还是proper subspace?
A：不对的，有一个基本定理：A vector space cannot be written as a finite union of proper subspaces.

这个证明是不对的。就当作者笔误吧。。

再考虑k>1。

2.1空域性质

令行秩$\text{RowRank}(X)=r$。
从$X$中找$r$行构成极大线性无关向量组，这$r$行的行标构成新的集合$\mathbb{I}=\{s_1,s_2,...,s_r\}$。
那么这个极大线性无关向量组构成的矩阵可以记作$X_{\mathbb{I}}=\{X_{s_i}\}\in {\mathbb{R}}^{r\times d}$。
我们可以用这个极大线性无关向量组来表达原来的特征矩阵，写成 $X=P{X}_{\mathbb{I}},M\in {\mathbb{R}}^{N\times r}$。

假设存在一个$W\in {\mathbb{R}}^{d\times k}$ 使得$X_{\mathbb{I}}W$降为行秩1的矩阵。
即 $\text{RowRank}(X_{\mathbb{I}}W)=1$， 即$X_{\mathbb{I}}W$的每一列都相同。

那么显然 linear GNN的输出
$Z=gXW=g(P{X}_{\mathbb{I}})W=gP(X_{\mathbb{I}}W)$ 满足
$\text{RowRank}(Z)\le \text{RowRank}(X_{\mathbb{I}}W)=1$ ，
又$Z\ne 0$，即 $\text{RowRank}(Z)>0$。
于是$\text{RowRank}(Z)=1$。
于是Z的每一列都相同。

这个空域性质本身并不强大，因为空域上的g没有特殊性。
但是在频域上却有更强大的表现。

2.2频域性质

记频域特征$\hat{X}=U^{T}X\in {\mathbb{R}}^{N\times d}$， $W\in {\mathbb{R}}^{d\times k}$
同样地
令行秩$\text{RowRank}(\hat{X})=r$。
从$\hat{X}$中找$r$行构成极大线性无关向量组，这$r$行的行标构成新的集合$\mathbb{I}=\{s_1,s_2,...,s_r\}$。
那么这个极大线性无关向量组构成的矩阵可以记作${\hat{X}}_{\mathbb{I}}=\{{\hat{X}}_{s_i}\}\in {\mathbb{R}}^{r\times d}$。
我们可以用这个极大线性无关向量组来表达原来的特征矩阵，写成 $\hat{X}=M{\hat{X}}_{\mathbb{I}},M\in {\mathbb{R}}^{N\times r}$。

于是
$Z=g(\hat{L})XW=Ug(\Lambda )\hat{X}W=Ug(\Lambda )M{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$

把g变成第一个，方便操作。
记$\hat{Z}=U^{T}Z=g(\Lambda )M{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$
有
${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}=(U^{T}Z{)}_{\mathbb{I}}=(g(\Lambda )M{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W{)}_{\mathbb{I}}=(g(\Lambda )M{)}_{\mathbb{I}}{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$

频域上的g有特殊性质，是一个对角矩阵。于是，

$g(\Lambda )M=[g_{ii}{M}_i{]}_{i\in [N]}$ ，其中$g_{ii}$ 表示 i行i列的对角线元素，$M_i$表示第i行。
$(g(\Lambda )M{)}_{\mathbb{I}}=([g_{ii}{M}_i{]}_{i\in [N]}{)}_{\mathbb{I}}=g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}{M}_{\mathbb{I}}$
又考虑到
${\hat{X}}_{\mathbb{I}}=(M{\hat{X}}_{\mathbb{I}}{)}_{\mathbb{I}}=M_{\mathbb{I}}{\hat{X}}_{\mathbb{I}}$
这意味着我们可以令 $M_{\mathbb{I}}=E_r$ 成为一个$r\times r$单位矩阵。
所以在频域上
$(g(\Lambda )M{)}_{\mathbb{I}}=g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}{M}_{\mathbb{I}}=g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}$

有了上述性质，可以进一步写出
${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}=g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$
而
$\hat{Z}=g(\Lambda )M{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$

对照上式发现
若$W$使得 $\text{RowRank}({\hat{X}}_{\mathbb{I}}W)=1$,
我们会得到和空域部分相似的结论
$\text{RowRank}({\hat{Z}}_{\mathbb{I}})=1$
$\text{RowRank}(\hat{Z})=1$

即，当$g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}$可逆时，
如果${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}$的列相同，$\hat{Z}$的列也同步相同。

即，当$g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}$可逆时，
模型学不到一个使得 ${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}$的列相同，而$\hat{Z}$的列不同的$Z$。
此时，对于k>1的prediction，模型无法全部习得。

我称这个性质为列等同步性质。

2.3边界条件

注意到上述结论成立的一个重要前提是当$g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}$可逆。
这个前提条件能成立吗？答案是可以的。
因为我们的目的是证明，存在一种学习不到的$Z$。
所以找反例即可。

只需要令$\hat{Z}$ 满足： ${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}$中的元素全部不为0。
根据${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}=g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}{\hat{X}}_{\mathbb{I}}W$就能推出$g(\Lambda {)}_{\mathbb{I}\mathbb{I}}$的对角线元素全部不为0，于是可逆条件成立。

2.4考虑这个结论对经典Spectral GNN的成立与否

Q：如果加入activation，我们能不能学到一个使得 ${\hat{Z}}_{\mathbb{I}}$的列相同（且不含0），而$\hat{Z}$的列不同的$Z$？

显然，按传统做法，用ReLU作为activation，也有很多Z是学不到的。
比如我希望
$\hat{Z}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 2& 2\\ 5& 6\\ 7& 8\end{array}\right)$

前两行作为$\mathbb{I}=\{1,2\}$。
用ReLU永远学不到。
换tanh之类的也没用。

而单纯地堆叠Layers也做不到。
因为在最后一层的输出也会面临一样的问题。

所以可以说，这个结论对理解传统spectral GNN的表达能力上限非常有启发意义。
优雅，太优雅了！

有2个办法解决
1.抛弃spectral，改用spatial GNN。
我已经证明过了，上面这个列等同步性质是spectral domain上g为diagonal的特殊性质带来的。
一旦抛弃spectral，得到 non-diagonal filter就会自动消除这个性质。
2.前面用spectral，output layer改成non-spectral。
这样可能可以解决一部分问题。

2.5 实践意义

Q：我知道了spectral学不到列等，这样有什么用吗？ 存在需要你输出局部列等的情况吗？

对输出层。
我只能想到，某些multi-label的多分类任务中可能会出现。
比如某电影同时属于爱情片和惊悚片（盲探？）

但对于中间的隐层就不好说了。
对某些高相关的dimension pair，列等可能是很强的性质。

2.6 与过去某些工作的关联

作者提了一嘴。

We can use individual polynomial coefficients for each output channel to solve this problem

我突然想不起来看过哪篇文章，确实是这样做的。
把g拆开来，在不同的channel上再学一遍coefficients…
我只记得当时我还笑了一下…
好像还不止一篇。
等哪天想起来填坑吧。

三、Section4.2&4.3

• Multiple Eigenvalue
• Missing frequency components

这个很好理解，如果feature里就缺失了频率成分，无论怎么通过filter去scale都无法解决。
这对应了第三个condition。
好消息是，作者在Appendix E.中对10个benchmark dataset做了统计，证明这个情况非常罕见。

（这个问题应该早就有人讨论过吧？我有印象。。。因为大图上的重根很少是一个很自然的结论。频率成分缺失对特征足够强的数据集来说更不存在。）

相反，真正需要深入的问题是之前另外一些工作讨论的。
我们知道大图没有什么重根，但我们在乎不同根之间的密度（距离）。
$d_p={\lambda }_{p+1}-{\lambda }_p$。

我又想不起来是哪篇文章有这个结论了，这个d大于还是小于某个阈值会让性能变好来着。。。

四、 section 4.4

Proposition 4.3…

我不知道为什么他又要证一遍。。我记得好像是GIN里已经证了一次了。
mp框架下的GNN表达能力不会超出 1-WL 。
直接引不香吗。

Corollary 4.4 在没有重特征根和没有缺失频率成分两个条件约束下，1-WL也能区分所有非同构的结点。

Theorem 4.5 没有重特征根的图，order of automorphism不会超过3.
意思是最多3个 g^3 = E , E is identity matrix。
后面就无限自同构了。 $g^4=g^3\ast g=g,g^5=g^2,g^6=g^3=E$
自同构群{E,g,g^2}， order为3.

Theorem 4.6 进一步地，如果同时满足没有重特征根和没有缺失频率成分，除了identity之外将没有其他automorphism。
即自同构群{E}， order=1。

这意味着，此时跑1-WL和linearGNN没有区别。
都会给不同的结点输出完全不同的标签。

Appendix C中讨论了random feature的影响
待更…

五、 Section 4.5 nonlinear

简单来说
nonlinear 可以mix frequency components。

我记得之前有个结论是，non linear可以引入high frequency components。
（Q：怎么证？）

Baseline

ChebyNet
SGC
APPNP
GNN-LF/HF
GPRGNN
ARMA
BernNet

这样一看，这个领域的进展可以说非常缓慢了。
只有大佬可以从别的领域迁移一点东西进来。
寻常人想灌水也灌不进去。
平均下来，1年也就出1~1.5个model。

参考
//https://www.mathcounterexamples.net/a-vector-space-written-as-finite-union-of-proper-subspaces/