Jump to content

Фильтрация Виеторис-Рипс

Набор из трех вложенных подкомплексов в пределах фильтрации Вьеториса–Рипса на множестве точек евклидовой плоскости.

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 ]

Пример комплекса Вьеториса–Рипса, построенного по точкам евклидовой плоскости.

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 ]
  1. ^ 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.
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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.
  7. ^ Райтбергер, Генрих (2002), «Леопольд Виеторис (1891–2002)» , Уведомления Американского математического общества, 49 (20).
  8. ^ 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 .
  9. ^ Jump up to: а б с Лесник, Майкл (1 апреля 2023 г.). «Конспекты лекций по AMAT 840: многопараметрическая устойчивость» (PDF) . Университет Олбани, SUNY : 33.
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ Эдельсбруннер, Герберт (2010). Вычислительная топология: введение . Дж. Харер. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN  978-0-8218-4925-5 . OCLC   427757156 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ Шихи, Дональд Р. (3 декабря 2020 г.). «Разреженная фильтрация Делоне». arXiv : 2012.01947 [ cs.CG ].
  16. ^ 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 .
  17. ^ Вишванатх, Сиддхартх; Шриперумбудур, Бхарат К.; Фукумидзу, Кендзи; Курики, Сатоши (3 июня 2022 г.). «Надежный топологический вывод при наличии выбросов». arXiv : 2206.01795 [ math.ST ].
  18. ^ 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 .
  19. ^ Лесник, Майкл; Райт, Мэтью (01 декабря 2015 г.). «Интерактивная визуализация двумерных модулей персистентности». arXiv : 1512.00180 [ math.AT ].
  20. ^ Ботнан, Магнус Бакке; Лесник, Майкл (13 марта 2023 г.). «Введение в многопараметрическую устойчивость». arXiv : 2203.14289 [ math.AT ].
  21. ^ Д. Р. Шихи, «Многопокровный нерв для геометрического вывода», в CCCG: Канадская конференция по вычислительной геометрии , 2012.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f4aa9f68b706aaa2aaab67db88b294fe__1722273240
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f4/fe/f4aa9f68b706aaa2aaab67db88b294fe.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Vietoris–Rips filtration - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)