Generalization limits of Graph Neural Networks in identity effects learning
Notice bibliographique
Résumé
Graph Neural Networks (GNNs) have emerged as a powerful tool for data-driven learning on various graph domains. They are usually based on a message-passing mechanism and have gained increasing popularity for their intuitive formulation, which is closely linked to the Weisfeiler-Lehman (WL) test for graph isomorphism to which they have been proven equivalent in terms of expressive power. In this work, we establish new generalization properties and fundamental limits of GNNs in the context of learning so-called identity effects, i.e., the task of determining whether an object is composed of two identical components or not. Our study is motivated by the need to understand the capabilities of GNNs when performing simple cognitive tasks, with potential applications in computational linguistics and chemistry. We analyze two case studies: (i) two-letters words, for which we show that GNNs trained via stochastic gradient descent are unable to generalize to unseen letters when utilizing orthogonal encodings like one-hot representations; (ii) dicyclic graphs, i.e., graphs composed of two cycles, for which we present positive existence results leveraging the connection between GNNs and the WL test. Our theoretical analysis is supported by an extensive numerical study. • We prove new impossibility theorems for Graph Neural Networks (GNNs) for identity effects learning when the information is encoded at the node feature level. • We show that GNNs are able to learn identity effects based on graph topological information using an approach based on the Weisfeiler-Lehman coloring test. • We validate our theoretical findings through an extensive numerical study and highlight gaps between theory and practice.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,007 | 0,048 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,006 |
| Communication savante | 0,002 | 0,008 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,004 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,005 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».