グラフ変分ニューラルネットワーク

グラフ変分ニューラルネットワーク

なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。

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arXiv:2509.20311v1発表タイプ:新規

概要:動的に進化する時空間信号のモデリングは、グラフニューラルネットワーク(GNN)文献における主要な課題である。特に、GNNは既存の基礎となるグラフ構造を前提とする。この基礎となる構造は必ずしも存在しないか、信号から独立して導出される場合もあるが、時間的に進化する機能的ネットワークは、マルチチャネルデータから常に構築できる。グラフ変量信号解析(GVSA)は、通常信号自体から構築される安定したサポートに対して、瞬間的な接続プロファイルのネットワークテンソルからなる統一フレームワークを定義する。GVSAとグラフ信号処理のツールに基づき、我々はグラフ変量ニューラルネットワーク(GVNN)を導入する:安定した長期サポートと瞬間的なデータ駆動型相互作用を組み合わせた信号依存の接続テンソルで時空間信号を畳み込む層。この設計は、アドホックなスライディングウィンドウを使用せずに、各時点での動的な統計的相互依存性を捉え、シーケンス長に対して線形計算量の効率的な実装を可能にする。予測ベンチマーク全体で、GVNNは強力なグラフベースのベースラインを常に凌駕し、LSTMやTransformerなどの広く使用されているシーケンスモデルと競争力がある。EEG運動イメージ分類において、GVNNは高い精度を達成し、ブレインコンピュータインターフェースへの応用の可能性を示している。

原文(英語)を表示

Title (EN): Graph Variate Neural Networks

arXiv:2509.20311v1 Announce Type: new
Abstract: Modelling dynamically evolving spatio-temporal signals is a prominent challenge in the Graph Neural Network (GNN) literature. Notably, GNNs assume an existing underlying graph structure. While this underlying structure may not always exist or is derived independently from the signal, a temporally evolving functional network can always be constructed from multi-channel data. Graph Variate Signal Analysis (GVSA) defines a unified framework consisting of a network tensor of instantaneous connectivity profiles against a stable support usually constructed from the signal itself. Building on GVSA and tools from graph signal processing, we introduce Graph-Variate Neural Networks (GVNNs): layers that convolve spatio-temporal signals with a signal-dependent connectivity tensor combining a stable long-term support with instantaneous, data-driven interactions. This design captures dynamic statistical interdependencies at each time step without ad hoc sliding windows and admits an efficient implementation with linear complexity in sequence length. Across forecasting benchmarks, GVNNs consistently outperform strong graph-based baselines and are competitive with widely used sequence models such as LSTMs and Transformers. On EEG motor-imagery classification, GVNNs achieve strong accuracy highlighting their potential for brain-computer interface applications.

Published: 2025-09-24 19:00 UTC


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