Фильтрация Виеторис-Рипс

В топологическом анализе данных фильтрация Виеториса-Рипса (иногда сокращаемая до « фильтрации Рипса ») представляет собой набор вложенных комплексов Виеториса-Рипса в метрическом пространстве , созданном путем взятия последовательности комплексов Виеториса-Рипса по возрастающему параметру масштаба. Часто фильтрация Виеториса-Рипса используется для создания дискретной симплициальной модели на основе данных облака точек, встроенных в окружающее метрическое пространство. [ 1 ] Фильтрация Виеториса-Рипса представляет собой многомасштабное расширение комплекса Виеториса-Рипса, которое позволяет исследователям обнаруживать и отслеживать постоянство топологических особенностей в диапазоне параметров путем расчета постоянной гомологии всей фильтрации. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Он назван в честь Леопольда Виеториса и Элияху Рипса .
Определение
[ редактировать ]Фильтрация Виеториса-Рипса представляет собой вложенную совокупность комплексов Виеториса-Рипса , индексированных по возрастающему масштабному параметру. Комплекс Виеториса-Рипса — это классическая математическая конструкция, восходящая к статье 1927 года. [ 5 ] Леопольда Виеториса , хотя его независимо рассматривал Элияху Рипс при изучении гиперболических групп , как заметил Михаил Громов в 1980-х годах. [ 6 ] Объединенное название «Вьеторис – Рипс» принадлежит Жан-Клоду Осману. [ 7 ]

Учитывая метрическое пространство и параметр масштаба (иногда называемый параметром порога или расстояния ) , комплекс Виеториса–Рипса (по отношению к ) определяется как , где - диаметр , т.е. максимальное расстояние точек, лежащих в . [ 8 ]
Заметьте, что если , существует симплициальное отображение включения . Фильтрация Виеториса–Рипса представляет собой вложенный набор комплексов. :
Если неотрицательные действительные числа рассматриваются как посетальная категория через отношения , то фильтрацию Вьеториса–Рипса можно рассматривать как функтор ценится в категории симплициальных комплексов и симплициальных отображений, где морфизмы (т. е. отношения в частично упорядоченном множестве) в исходной категории вызывают карты включения среди комплексов. [ 9 ] Обратите внимание, что категорию симплициальных комплексов можно рассматривать как подкатегорию , категория топологических пространств , путем посткомпозиции с функтором геометрической реализации .
Характеристики
[ редактировать ]Размер . фильтрации относится к числу симплексов в наибольшем комплексе, при условии, что базовое метрическое пространство конечно -скелет, т.е. количество симплексов до размерности , фильтрации Вьеториса–Рипса, как известно, , где это количество очков. [ 10 ] Размер полного скелета точно симплексы, по одному на каждое непустое подмножество точек. [ 9 ] Поскольку это экспоненциальный процесс, исследователи обычно вычисляют скелет фильтрации Вьеториса-Рипса только до небольших значений . [ 2 ]
Когда базовое метрическое пространство конечно, фильтрацию Виеториса – Рипса иногда называют существенно дискретной . [ 9 ] это означает, что существует какой-то терминальный или максимальный параметр масштаба такой, что для всех , и, кроме того, отображение включения является изоморфизмом для всех параметров, кроме конечного числа . Другими словами, когда базовое метрическое пространство конечно, фильтрация Вьеториса – Рипса имеет наибольший комплекс, и комплекс меняется только за конечное число шагов. Последнее означает, что фильтрацию Виеториса–Рипса на конечном метрическом пространстве можно рассматривать как индексированную по дискретному множеству, такому как , ограничивая фильтрацию параметрами масштаба, при которых фильтрация изменяется, а затем перемаркируя комплексы, используя натуральные числа .
Можно также дать явную оценку числу шагов, на которых меняется фильтрация Вьеториса–Рипса. Комплекс Виеториса-Рипса представляет собой комплекс клики , то есть он полностью определяется своим 1-скелетом. [ 11 ] Поэтому количество шагов, на которых меняется фильтрация Виеториса–Рипса, ограничено числом ребер в наибольшем комплексе. Число ребер в наибольшем комплексе равно , поскольку все вершины соединены ребром. Поэтому фильтрация Виеториса–Рипса меняется при шаги, где обозначает асимптотическую верхнюю границу .
Для точек евклидова пространства фильтрация Виеториса-Рипса является приближением фильтрации Чеха в смысле расстояния перемежения. [ 1 ] Это следует из того, что для любого масштабного параметра , комплексы Виеториса–Рипса и Чеха на конечном множестве точек в евклидовом пространстве удовлетворяют соотношению включения , которую иногда называют леммой Вьеториса–Рипса. [ 12 ] В общих метрических пространствах прямое применение неравенства треугольника показывает, что для любого параметра масштаба .
Варианты
[ редактировать ]Приближения
[ редактировать ]Поскольку фильтрация Виеториса-Рипса имеет экспоненциальное число симплексов в своем полном скелете, был проведен значительный объем исследований по аппроксимации постоянной гомологии фильтрации Виеториса-Рипса с использованием конструкций меньшего размера. Первую работу в этом направлении опубликовал ученый-компьютерщик Дональд Шихи в 2012 году, который показал, как построить фильтрацию размер в время, которое приближает постоянную гомологию фильтрации Вьеториса-Рипса к желаемой погрешности. [ 10 ] Этот тип фильтрации известен как фильтрация Виеториса-Рипса с S-разбором , поскольку он удаляет точки из стандартной фильтрации Виеториса-Рипса, используя идеи вычислительной геометрии, связанные с геометрическими гаечными ключами . [ 13 ] С тех пор было разработано несколько более эффективных методов аппроксимации фильтрации Вьеториса-Рипса, в основном с использованием идей Шихи, но также на основе схем аппроксимации, разработанных для фильтра Чеха. [ 14 ] и Делоне [ 15 ] фильтрация. [ 16 ] [ 2 ]
Многопараметрические расширения
[ редактировать ]Известно, что постоянная гомология может быть чувствительна к выбросам в базовом наборе данных. [ 17 ] Чтобы исправить это, в 2009 году Гуннар Карлссон и Афра Зомородян предложили многомерную версию постоянства, которая учитывает фильтрацию по нескольким параметрам, таким как масштаб и плотность. [ 18 ]
С этой целью было разработано несколько многопараметрических расширений фильтрации Виеториса-Рипса.
- Бифильтрация Степени-Рипса расширяет фильтрацию Виеториса-Рипса путем построения подграфа 1-скелета каждого комплекса в фильтрации Виеториса-Рипса, ограничиваясь только вершинами, степень которых не ниже заданного параметра. , а затем построим комплекс клик на этом подграфе. Степень вершины кодирует информацию о плотности данных, поскольку она количественно определяет, насколько «центральной» является эта точка с точки зрения количества других вершин, с которыми она связана. Коллекция по всем параметрам степени определяет фильтрацию каждого комплекса в фильтрации Виеториса – Рипса, где комплексы уменьшаются по мере увеличения увеличивается. В целом это определяет 2-параметрическое расширение фильтрации Вьеториса-Рипса за счет рассмотрения совокупности комплексов с двойной фильтрацией по всем параметрам масштаба. , где «op» обозначает противоположный ЧУУ . [ 19 ]
- Бифильтрация Function -Rips расширяет фильтрацию Вьеториса-Рипса путем бифильтрации каждого комплекса в соответствии с множествами суперуровней некоторой функции. , где может быть функцией плотности, функцией эксцентриситета или любой другой функцией. А именно, каждый комплекс определяется через , что дает бифильтрацию, индексированную по . [ 20 ]
- Бифильтрация подразделения -Рипса расширяет фильтрацию Виеториса-Рипса, беря барицентрическое подразделение каждого комплекса в фильтрации Виеториса-Рипса, а затем фильтруя эти комплексы по размерности каждого флага. А именно, барицентрическое подразделение симплициального комплекса — это абстрактный симплициальный комплекс, определенный с использованием флагов симплексов в базовом комплексе, где флаг (иногда называемый цепочкой ) представляет собой вложенную серию симплексов. . Тогда, учитывая барицентрическое подразделение комплекса, его можно отфильтровать, взяв подкомплекс, натянутый на вершины, соответствующие симплексам в исходном комплексе некоторой минимальной размерности. . Совокупность всех таких комплексов дает бифильтрацию, индексированную по . [ 21 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Шазаль, Фредерик; Удо, Стив Ю. (2013). «Перемежающаяся фильтрация: теория и приложения в анализе данных облака точек». Нильсен, Франк; Барбареско, Фредерик (ред.). Геометрическая наука об информации . Том. 8085. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. стр. 587–592. дои : 10.1007/978-3-642-40020-9_65 . ISBN 978-3-642-40019-3 . S2CID 8701910 . Проверено 5 апреля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Дей, Тамал К.; Ши, Даю; Ван, Юсу (30 января 2019 г.). «SimBa: эффективный инструмент для аппроксимации устойчивости разрывной фильтрации посредством простого пакетного коллапса» . Журнал экспериментальной алгоритмики ACM . 24 : 1,5:1–1,5:16. дои : 10.1145/3284360 . ISSN 1084-6654 . S2CID 216028146 .
- ^ Удо, Стив Ю.; Шихи, Дональд Р. (17 июня 2013 г.). «Зигзагообразная зоология» . Материалы двадцать девятого ежегодного симпозиума по вычислительной геометрии . СоКГ '13. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Ассоциация вычислительной техники. стр. 387–396. дои : 10.1145/2462356.2462371 . ISBN 978-1-4503-2031-3 . S2CID 485245 .
- ^ Ли, Хекён; Чанг, Му К.; Кан, Хеджин; Ким, Бунг-Нюн; Ли, Дон Су (2011). «Дискриминационная стойкая гомология мозговых сетей» . Международный симпозиум IEEE 2011 по биомедицинской визуализации: от нано к макро . стр. 841–844. дои : 10.1109/ISBI.2011.5872535 . ISBN 978-1-4244-4127-3 . S2CID 12511452 .
- ^ Виеторис, Л. (1 декабря 1927 г.). «О высшей связи компактов и одного класса связных отображений» . Математические анналы (на немецком языке). 97 (1): 454–472. дои : 10.1007/BF01447877 . ISSN 1432-1807 . S2CID 121172198 .
- ^ Громов, М. (1987). «Гиперболические группы». В Герстен, С.М. (ред.). Очерки по теории групп . Публикации НИИ математических наук. Том. 8. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. стр. 75–263. дои : 10.1007/978-1-4613-9586-7_3 . ISBN 978-1-4613-9588-1 . Проверено 5 апреля 2023 г.
- ^ Райтбергер, Генрих (2002), «Леопольд Виеторис (1891–2002)» , Уведомления Американского математического общества, 49 (20).
- ^ Бауэр, Ульрих; Ролл, Фабиан (2022). «Гиперболичность Громова, геодезический дефект и кажущиеся пары в фильтрациях Вьеториса – Рипса». В Гоаоке, Ксавье; Кербер, Майкл (ред.). 38-й Международный симпозиум по вычислительной геометрии (SoCG 2022) . Международные труды Лейбница по информатике (LIPIcs). Том 224. Дагштуль, Германия: Замок Дагштуль – Центр информатики Лейбница. стр. 15:1–15:15. дои : 10.4230/LIPIcs.SoCG.2022.15 . ISBN 978-3-95977-227-3 . S2CID 245124031 .
- ^ Jump up to: а б с Лесник, Майкл (1 апреля 2023 г.). «Конспекты лекций по AMAT 840: многопараметрическая устойчивость» (PDF) . Университет Олбани, SUNY : 33.
- ^ Jump up to: а б Шихи, Дональд Р. (17 июня 2012 г.). «Приближения линейного размера к фильтрации Вьеторис-рипс» . Материалы двадцать восьмого ежегодного симпозиума по вычислительной геометрии . СоКГ '12. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Ассоциация вычислительной техники. стр. 239–248. arXiv : 1203.6786 . дои : 10.1145/2261250.2261286 . ISBN 978-1-4503-1299-8 . S2CID 2392303 .
- ^ Чемберс, Эрин В.; де Сильва, Вин; Эриксон, Джефф; Грист, Роберт (2010). «Комплексы Виеториса – Рипса плоских множеств точек» . Дискретная и вычислительная геометрия . 44 (1): 75–90. дои : 10.1007/s00454-009-9209-8 . ISSN 0179-5376 . S2CID 7900163 .
- ^ Эдельсбруннер, Герберт (2010). Вычислительная топология: введение . Дж. Харер. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-4925-5 . OCLC 427757156 .
- ^ Хар-Пелед, Сариэль; Мендель, Поместье (2006). «Быстрое построение сетей малой размерности и их приложения» . SIAM Journal по вычислительной технике . 35 (5): 1148–1184. дои : 10.1137/S0097539704446281 . ISSN 0097-5397 . S2CID 37346335 .
- ^ Кербер, Майкл; Шараткумар, Р. (2013). «Приблизительный комплекс Чеха в низких и высоких измерениях». В Цай, Лэйчжэнь; Ченг, Сиу-Винг; Лам, Так-Ва (ред.). Алгоритмы и вычисления . Конспекты лекций по информатике. Том. 8283. Берлин, Гейдельберг: Springer. стр. 666–676. дои : 10.1007/978-3-642-45030-3_62 . ISBN 978-3-642-45030-3 . S2CID 5770506 .
- ^ Шихи, Дональд Р. (3 декабря 2020 г.). «Разреженная фильтрация Делоне». arXiv : 2012.01947 [ cs.CG ].
- ^ Чоудхари, Аруни; Кербер, Майкл; Рагвендра, Шарат (01 сентября 2021 г.). «Улучшенная приближенная фильтрация разрывов со сдвинутыми целочисленными решетками и кубическими комплексами» . Журнал прикладной и вычислительной топологии . 5 (3): 425–458. дои : 10.1007/s41468-021-00072-4 . ISSN 2367-1734 . ПМЦ 8549989 . ПМИД 34722862 .
- ^ Вишванатх, Сиддхартх; Шриперумбудур, Бхарат К.; Фукумидзу, Кендзи; Курики, Сатоши (3 июня 2022 г.). «Надежный топологический вывод при наличии выбросов». arXiv : 2206.01795 [ math.ST ].
- ^ Карлссон, Гуннар; Зомородян, Афра (2009). «Теория многомерного постоянства» . Дискретная и вычислительная геометрия . 42 (1): 71–93. дои : 10.1007/s00454-009-9176-0 . ISSN 0179-5376 .
- ^ Лесник, Майкл; Райт, Мэтью (01 декабря 2015 г.). «Интерактивная визуализация двумерных модулей персистентности». arXiv : 1512.00180 [ math.AT ].
- ^ Ботнан, Магнус Бакке; Лесник, Майкл (13 марта 2023 г.). «Введение в многопараметрическую устойчивость». arXiv : 2203.14289 [ math.AT ].
- ^ Д. Р. Шихи, «Многопокровный нерв для геометрического вывода», в CCCG: Канадская конференция по вычислительной геометрии , 2012.