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分层地图的梯度采样算法及其在拓扑数据分析中的应用。 (英语) Zbl 1525.49015号

摘要:我们引入了一种新的梯度下降算法,将著名的梯度采样算法改进为一类分层光滑目标函数,这些目标函数被定义为局部Lipschitz函数,它们在环境欧氏空间的一些规则块(称为strata)上是光滑的。在这类函数上,我们的算法达到了亚线性收敛速度。然后,我们将我们的方法应用于基于通过低星滤波器计算的(扩展的)持久同源映射的目标函数,这是拓扑数据分析的中心工具。为此,我们提出了一种利用置换群的Cayley图对相应分层进行有效探索的方法。最后,我们提供了基准测试和新的拓扑优化问题,证明了我们框架的实用性和适用性。

MSC公司:

第49页第52页 非平滑分析
90C26型 非凸规划,全局优化
55纳米31 持久同源性及其应用,拓扑数据分析
62R40型 拓扑数据分析
57纳米80 拓扑流形中的分层
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参考文献:

[1] 埃鲁,ES;桑托斯,SA;Simóes,LE,关于有限最大函数梯度采样方法的局部收敛性分析,J.Optim。理论应用。,175, 1, 137-157 (2017) ·兹伯利1386.90148
[2] Bertsekas,DP,通过近似的不可微优化,数学。程序。螺柱,3,1-25(1975)·Zbl 0383.49025号
[3] Fuduli,A。;高迪奥索,M。;Giallonbardo,G.,非凸非光滑最小化中的DC分段仿射模型和捆绑技术,Optim。方法软件。,19, 1, 89-102 (2004) ·Zbl 1211.90182号
[4] Fuduli,A。;高迪奥索,M。;Giallonbardo,G.,通过切割平面和接近控制最小化非凸非光滑函数,SIAM J.Optim。,14, 3, 743-756 (2004) ·Zbl 1079.90105号
[5] 北卡罗来纳州哈拉拉。;Miettinen,K。;Mäkelä,MM,大规模非光滑优化的全局收敛有限内存束方法,数学。程序。,109, 1, 181-205 (2007) ·Zbl 1278.90451号
[6] Bihain,A.,上半可微函数的优化,J.Optim。理论应用。,44, 4, 545-568 (1984) ·Zbl 0534.90069号
[7] Mifflin,R.,带半光滑函数的约束优化算法,数学。《运营研究》,191-207年第2期,第2期(1977年)·Zbl 0395.90069号
[8] 弗切克,J。;Lukšan,L.,非凸不可微无约束极小化的全局收敛变量度量方法,J.Optim。理论应用。,111, 2, 407-430 (2001) ·Zbl 1029.90060号
[9] Lukšan,L.等人。;Vlček,J.,非光滑无约束极小化的丛牛顿方法,数学。程序。,83, 1-3, 373-391 (1998) ·Zbl 0920.90132号
[10] Bagirov,A。;北卡罗来纳州卡米萨。;Mäkelä,MM,《非光滑优化导论》,372(2014),Cham:Springer,Cham·Zbl 1312.90053号
[11] Kiwiel,KC,不可微优化的下降方法。数学课堂讲稿,362(1985),柏林:施普林格,柏林·Zbl 0561.90059号
[12] 新西兰肖尔,《不可微函数的最小化方法》(2012),柏林:施普林格出版社,柏林
[13] 博尔特,J。;达尼利迪斯,A。;刘易斯,A。;Shiota,M.,分层函数的Clarke次梯度,SIAM J.Optim。,18, 2, 556-572 (2007) ·Zbl 1142.49006号
[14] Davis,D。;Drusvyatskiy,D。;卡卡德,S。;Lee,JD,随机次梯度方法收敛于驯服函数,Found。计算。数学。,20, 1, 119-154 (2020) ·Zbl 1433.65141号
[15] Ioffe,A.,《驯服优化的邀请》,SIAM J.Optim。,19, 4, 1894-1917 (2009) ·邮编:1182.90083
[16] Attouch,H。;博尔特,J。;Svaiter,BF,半代数和驯服问题下降方法的收敛性:近似算法,前向-后向分裂,正则高斯-赛德尔方法,数学。程序。,137, 1-2, 91-129 (2013) ·Zbl 1260.49048号
[17] Noll,D.,使用Kurdyka-Lojasiewicz不等式的非光滑下降方法的收敛性,J.Optim。理论应用。,160, 2, 553-572 (2014) ·Zbl 1298.90079号
[18] 本迪,P。;马龙,JS;米勒,E。;Pieloch,A。;Skwerer,S.,脑动脉树的持续同源性分析,Anna。申请。统计,10,1,198(2016)
[19] Y.Hiraoka。;Nakamura,T。;Hirata,A。;埃斯科拉,EG;Matsue,K。;Nishiura,Y.,以持久同源性为特征的无定形固体的分级结构,Proc。国家。阿卡德。科学。,113, 26, 7035-7040 (2016)
[20] 马萨诸塞州佩雷;Harer,J.,《滑动窗口和持久性:拓扑方法在信号分析中的应用》,Found。计算。数学。,15, 3, 799-838 (2015) ·Zbl 1325.37054号
[21] Li,C.,Ovsjanikov,M.,Chazal,F.:基于持久性的结构识别。摘自:IEEE计算机视觉和模式识别会议记录,1995-2002(2014)
[22] Chen,C.,Ni,X.,Bai,Q.,Wang,Y.:一个基于持久同调的分类器拓扑正则化子。摘自:第22届国际人工智能与统计会议,第2573-2582页(2019年)
[23] 科恩·斯坦纳,D。;Edelsbrunner,H。;Harer,J.,持久性图的稳定性,离散计算。地理。,37, 1, 103-120 (2007) ·Zbl 1117.54027号
[24] 科恩·斯坦纳,D。;Edelsbrunner,H。;Harer,J。;Mileyko,Y.,Lipschitz函数具有l p-稳定持久性,Found。计算。数学。,10, 2, 127-139 (2010) ·Zbl 1192.55007号
[25] Leygonie,J.,Oudot,S.,Tillmann,U.:持久性条码微分学框架。已找到。计算。数学。,1-63 (2021) ·Zbl 1507.55008号
[26] Carrière,M.、Chazal,F.、Glisse,M.,Ike,Y.、Kannan,H.、Umeda,Y.:优化基于持久同源性的函数。摘自:机器学习国际会议,第1294-1303页(2021年)。PMLR公司
[27] Solomon,Y.,Wagner,A.,Bendich,P.:一种快速稳健的全局拓扑函数优化方法。摘自:国际人工智能和统计会议,第109-117页(2021年)。PMLR公司
[28] Corcoran,P.,Deng,B.:持久同源梯度计算的正则化。arXiv预印arXiv:2011.05804(2020)
[29] 加梅罗,M。;Y.Hiraoka。;Obayashi,I.,通过持久性图延续点云,物理。D、 334118-132(2016)·Zbl 1415.55006号
[30] Brüel-Gabrielsson,R。;Ganapathi-Subramanian,V。;斯科拉巴,P。;Guibas,LJ,点云的拓扑感知曲面重建,计算。集团论坛,39,5,197-207(2020)
[31] Poulenard,A。;斯科拉巴,P。;Ovsjanikov,M.,连续形状匹配的拓扑函数优化,计算。集团论坛,37、5、13-25(2018)
[32] Yim,KM;Leygonie,J.,基于持久性的图分类的谱小波优化,前沿。申请。数学。统计,7,16(2021年)
[33] Gabrielsson,R.B.,Nelson,B.J.,Dwaraknath,A.,Skraba,P.:机器学习的拓扑层。摘自:《国际人工智能与统计会议》,第1553-1563页(2020年)。PMLR公司
[34] Hu,X.,Li,F.,Samaras,D.,Chen,C.:保持拓扑的深度图像分割。高级神经信息处理。系统。第5658-5669页(2019年)
[35] Kachan,O.:基于持续同源性的投影追踪。摘自:IEEE/CVF计算机视觉和模式识别研讨会会议记录,第856-857页(2020年)
[36] Burke,J.V.、Curtis,F.E.、Lewis,A.S.、Overton,M.L.:梯度采样方法。受邀调查信息计算学会新闻稿,研究亮点(2019)
[37] Clarke,FH,《优化与非光滑分析》(1990),费城:SIAM,费城·Zbl 0696.49002号
[38] Goldstein,A.,lipschitz连续函数的优化,数学。程序。,13, 1, 14-22 (1977) ·Zbl 0394.90088号
[39] Drusvyatskiy,D。;艾奥菲,AD;Lewis,AS,Clarke定向lipschitzian分层函数的次梯度,数学。运营研究,40,2,328-349(2015)·Zbl 1315.49002号
[40] 博尔特,J。;Pauwels,E.,《机器学习中自动微分的数学模型》,高级神经网络。信息处理。系统。,33, 10809-10819 (2020)
[41] Lee,W。;Yu,H。;对手X。;Yang,H.,关于不可微函数自动微分的正确性,高级神经网络。信息处理。系统。,33, 6719-6730 (2020)
[42] Scholtes,S.,《分段微分方程导论》(2012),芝加哥:Springer出版社,芝加哥·Zbl 1453.49002号
[43] 伯克,合资公司;路易斯,AS;Overton,ML,用于非光滑、非凸优化的稳健梯度采样算法,SIAM J.Optim。,15, 3, 751-779 (2005) ·Zbl 1078.65048号
[44] Kiwiel,KC,非光滑非凸优化梯度采样算法的收敛性,SIAM J.Optim。,18, 2, 379-388 (2007) ·Zbl 1149.65043号
[45] 路易斯,AS;Overton,ML,通过拟newton方法进行非光滑优化,数学。程序。,1411135-163(2013)·兹比尔1280.90118
[46] Wolfe,P.:最小化不可微函数的共轭次梯度方法,145-173(1975)·Zbl 0369.90093号
[47] 哈奇扬,LG,线性规划中的多项式算法(英文翻译),苏联数学。道克。,20, 191-194 (1979) ·Zbl 0409.90079号
[48] Edelsbrunner,H。;Harer,J.,《持久同源性——一项调查》,Contemp。数学。,453, 257-282 (2008) ·Zbl 1145.55007号
[49] Oudot,S.Y.:持久性理论:从Quiver表示到数据分析。第209卷。美国数学学会,普罗维登斯,RI(2015)·Zbl 1335.55001号
[50] Zomordian,A。;Carlsson,G.,《计算持久同源性》,《离散计算》。《几何》,33,2249-274(2005)·Zbl 1069.55003号
[51] 最佳,MJ;Chakravarti,N.,等渗回归的主动集算法;统一的框架,数学。程序。,47, 1, 425-439 (1990) ·Zbl 0715.90085号
[52] Poulenard,A。;斯科拉巴,P。;Ovsjanikov,M.,连续形状匹配的拓扑函数优化,计算。集团论坛,37、5、13-25(2018)
[53] Abadi,M.,Barham,P.,Chen,J.,Cheng,Z.,Davis,A.,Dean,J.、Devin,M.、Ghemawat,S.、Irving,G.、Isard,M.等人:张力流:大规模机器学习系统。摘自:第十二届(USENIX)操作系统设计与实现研讨会((OSDI),第265-283页(2016)
[54] Maria,C.,Boissonnat,J.-D.,Glisse,M.,Yvinec,M.:古迪文库:简单复合体和持久同源性。摘自:国际数学软件大会,第167-174页(2014年)。施普林格·Zbl 1402.57001号
[55] 钻石,S。;Boyd,S.,Cvxpy:一种用于凸优化的嵌入python的建模语言,J.Mach。学习。决议,17,1,2909-2913(2016)·Zbl 1360.90008号
[56] 德勒曼,S。;菲尔拉德,P。;宾夕法尼亚州。;特鲁韦,A。;Ayache,N.,以电流为模型的白质纤维束的注册、图谱估计和变异性分析,《神经影像》,55,3,1073-1090(2011)
[57] 奥夫斯亚尼科夫,M。;Ben-Chen,M。;所罗门,J。;Butscher,A。;Guibas,L.,功能图:形状之间映射的灵活表示,ACM Trans。组,31,4,1-11(2012)
[58] Sun,J。;奥夫斯亚尼科夫,M。;Guibas,L.,基于热扩散的简明且可证明信息丰富的多尺度签名,计算。集团论坛,8,5,1383-1392(2009)
[59] Singh,G.,Mémoli,F.,Carlsson,G.:高维数据集分析和三维对象识别的拓扑方法。在:第四届基于点的图形欧洲图形研讨会(SPBG 2007),第91-100页(2007)。欧洲制图协会
[60] A.Rizvi。;Cámara,P。;坎德罗,E。;罗伯茨,T。;希伦,I。;Maniatis,T。;Rabadán,R.,《单细胞拓扑RNA-seq分析揭示了对细胞分化和发育的见解》,《国家生物技术》。,35, 551-560 (2017)
[61] Carrière,M.,Michel,B.:随机和多元过滤器映射器的统计分析。J.应用。计算。拓扑,2367-1734(2022)·Zbl 1505.55010号
[62] Attali,D.,Glisse,M.,Hornus,S.,Lazarus,F.,Morozov,D.:线性时间内曲面上函数的持久性敏感简化。In:数据分析和可视化中的拓扑方法(TopoInVis 2009)(2009)
[63] 卡里埃,M。;米歇尔,B。;Oudot,S.,Mapper的统计分析和参数选择,J.Mach。学习。第19、12、1-39号决议(2018年)·Zbl 1444.62172号
[64] 特纳,K。;Mileyko,Y。;慕克吉,S。;Harer,J.,Fréchet表示持久性图的分布,离散计算。《几何学》,52,1,44-70(2014)·Zbl 1296.68182号
[65] 特纳,K。;慕克吉,S。;Boyer,DM,建模形状和曲面的持久同源变换,Inf.Inference J.IMA,3,4,310-344(2014)·Zbl 06840289号
[66] T.长野。;润滑,Y。;瓦尔奈,C。;达德利,C。;Leung,W。;Baran,Y。;Mendelson-Cohen,N。;温格特,S。;弗雷泽,P。;Tanay,A.,《单细胞分辨率下染色体组织的细胞周期动力学》,《自然》,547,61-67(2017)
[67] 卡里埃,M。;Rabadán,R.,单细胞Hi-C接触图的拓扑数据分析,阿贝尔专题讨论会,15,147-162(2020)·Zbl 1448.62213号
[68] Yang,T。;张,F。;码,mc,G。;宋,F。;哈迪森,R。;诺布尔,W。;岳,F。;Li,Q.,HiCRep:使用地层调整相关系数评估Hi-C数据的再现性,《基因组研究》,27,11,1939-1949(2017)
[69] 拉加,H。;郭毅。;Tabia,H。;费希尔,R。;Bennamoun,M.,《3D形状分析:基础、理论和应用》(2019年),霍博肯:威利
[70] Aubry,M.,Schlickewei,U.,Cremers,D.:波核特征:形状分析的量子力学方法。摘自:第13届IEEE国际计算机视觉会议(ICCV 2011)研讨会,第1626-1633页(2011)
[71] 约翰逊,A。;Hebert,M.,《在杂乱的三维场景中使用旋转图像进行有效的物体识别》,IEEE Trans。模式分析。机器。智力。,21433-449(1999年)
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