# toy model about over-symmetry

如果平面单位圆上存在点 x1=(1,0),x2=(1,0)\boldsymbol{x}_1 = (-1,0), \boldsymbol{x}_2 = (1,0). 圆心有节点 x3=(0,0)\boldsymbol{x}_3 = (0,0).

这时候,如果对于系统绕中心点 x3\boldsymbol{x}_3θ\theta 角旋转,得到 x1=(cosθ,sinθ),x2=(cosθ,sinθ)\boldsymbol{x}_1' = (-\cos \theta, -\sin \theta), \boldsymbol{x}_2' = (\cos \theta, \sin \theta). 那么,基于 EGNN 的更新公式

x3l+1=x3l+i=12xi3lϕ(mi,3l)=x3l.\boldsymbol{x}_3^{l+1} = \boldsymbol{x}_3^l + \sum_{i=1}^2 \boldsymbol{x}_{i3}^l \cdot \phi(\boldsymbol{m}_{i,3}^l) = \boldsymbol{x}_3^l.

但是,若更改输入的 x\boldsymbol{x}xx\boldsymbol{x} \otimes \boldsymbol{x}. 则 xixi=(cos2θ,cosθsinθ,cosθsinθ,sin2θ),i=1,2\boldsymbol{x}_i' \otimes \boldsymbol{x}_i' = (\cos^2\theta, \cos\theta\sin\theta, \cos\theta\sin\theta, \sin^2\theta)^\top, i = 1,2. 输入 EGNN, 则 x3\boldsymbol{x}_3 处的特征是等变的。这里推测是 type-2 的特征起到了作用。

一般地,假设 XR3×n\vec{\boldsymbol{X}} \in \mathbb{R}^{3 \times n}, R\mathcal{R} 是一种非平凡变换,对应矩阵 RR. 则

Rϕ(X)=ϕ(RX)=ϕ(X).R \phi(\vec{\boldsymbol{X}}) = \phi(R \vec{\boldsymbol{X}}) = \phi(\vec{\boldsymbol{X}}).

注意到 RO(3)R \in \mathrm{O}(3), 则 (RI)ϕ(X)=0(R-I) \phi(\vec{\boldsymbol{X}}) = 0, 从而 ϕ(X)=0\phi(\vec{\boldsymbol{X}}) = 0. 这就是 over-symmetry.

# over-symmetry in crystal

晶体输入暂不考虑连边,只考虑三维点云坐标 XR3×n\vec{\boldsymbol{X}} \in \mathbb{R}^{3 \times n}. 若 RR 是一个晶体对称群内的操作(的矩阵表示),则有

RX=XPR \vec{\boldsymbol{X}} = \vec{\boldsymbol{X}} P

其中 PP 是置换矩阵。

现在在外面套一层 GNN, 那么有

ϕ(RX)=ϕ(XP)=ϕ(X).\phi(R \vec{\boldsymbol{X}}) = \phi(\vec{\boldsymbol{X}} P) = \phi(\vec{\boldsymbol{X}}).

# over-symmetry in GNN readout