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数学 > 代数拓扑

arXiv:2408.11450v1 (math)
[提交于 2024年8月21日 ]

标题: 通过椭球的持久同调

标题: Persistent Homology via Ellipsoids

Authors:Sara Kališnik, Bastian Rieck, Ana Žegarac
摘要: 持久同调是拓扑数据分析中最流行的方法之一。 任何使用持久同调的分析中的第一步是构建一个从点云中生成的嵌套的单纯复形序列,称为过滤。 有大量不同的复形可供选择,其中Rips复形、Alpha复形和观测复形是常见的选择。 在本文中,我们构建了一种不同类型的几何信息单纯复形,称为椭球复形。 这种复形基于这样的想法:与常规(欧几里得)球相比,与切向方向对齐的椭球能更好地逼近数据,这些球通常用于构建Rips和Alpha复形。 我们使用主成分分析直接从样本中估计切空间,并提出了计算椭球条形码(即基于椭球复形的拓扑描述符)的算法及其实现。 此外,我们进行了广泛的实验,并将椭球条形码与标准的Rips条形码进行比较。 我们的研究结果表明,椭球复形在从样本中估计流形和具有瓶颈的空间的同调时特别有效。 特别是,与使用数据的Rips复形获得的区间相比,对应于真实拓扑特征的持续区间更长。 此外,椭球条形码在稀疏采样的点云中能带来更好的分类结果。 最后,我们证明椭球条形码在分类任务中优于Rips条形码。
摘要: Persistent homology is one of the most popular methods in Topological Data Analysis. An initial step in any analysis with persistent homology involves constructing a nested sequence of simplicial complexes, called a filtration, from a point cloud. There is an abundance of different complexes to choose from, with Rips, Alpha, and witness complexes being popular choices. In this manuscript, we build a different type of a geometrically-informed simplicial complex, called an ellipsoid complex. This complex is based on the idea that ellipsoids aligned with tangent directions better approximate the data compared to conventional (Euclidean) balls centered at sample points that are used in the construction of Rips and Alpha complexes, for instance. We use Principal Component Analysis to estimate tangent spaces directly from samples and present algorithms as well as an implementation for computing ellipsoid barcodes, i.e., topological descriptors based on ellipsoid complexes. Furthermore, we conduct extensive experiments and compare ellipsoid barcodes with standard Rips barcodes. Our findings indicate that ellipsoid complexes are particularly effective for estimating homology of manifolds and spaces with bottlenecks from samples. In particular, the persistence intervals corresponding to a ground-truth topological feature are longer compared to the intervals obtained when using the Rips complex of the data. Furthermore, ellipsoid barcodes lead to better classification results in sparsely-sampled point clouds. Finally, we demonstrate that ellipsoid barcodes outperform Rips barcodes in classification tasks.
主题: 代数拓扑 (math.AT) ; 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2408.11450 [math.AT]
  (或者 arXiv:2408.11450v1 [math.AT] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.11450
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Bastian Rieck [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2024 年 8 月 21 日 09:10:27 UTC (4,810 KB)
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