Graph Out-of-Distribution Generalization via Causal Intervention

一般化 计算机科学 机器学习 人工智能 推论 杠杆(统计) 图形 因果推理 生成模型 因果模型 理论计算机科学 生成语法 数学 计量经济学 数学分析 统计
作者
Qitian Wu,Fan Nie,Chenxiao Yang,Tian-Yi Bao,Junchi Yan
标识
DOI:10.1145/3589334.3645604
摘要

Out-of-distribution (OOD) generalization has gained increasing attentions for learning on graphs, as graph neural networks (GNNs) often exhibit performance degradation with distribution shifts. The challenge is that distribution shifts on graphs involve intricate interconnections between nodes, and the environment labels are often absent in data. In this paper, we adopt a bottom-up data-generative perspective and reveal a key observation through causal analysis: the crux of GNNs' failure in OOD generalization lies in the latent confounding bias from the environment. The latter misguides the model to leverage environment-sensitive correlations between ego-graph features and target nodes' labels, resulting in undesirable generalization on new unseen nodes. Built upon this analysis, we introduce a conceptually simple yet principled approach for training robust GNNs under node-level distribution shifts, without prior knowledge of environment labels. Our method resorts to a new learning objective derived from causal inference that coordinates an environment estimator and a mixture-of-expert GNN predictor. The new approach can counteract the confounding bias in training data and facilitate learning generalizable predictive relations. Extensive experiment demonstrates that our model can effectively enhance generalization with various types of distribution shifts and yield up to 27.4% accuracy improvement over state-of-the-arts on graph OOD generalization benchmarks.
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