Sonlu ağırlıklı grafiklerde matematik - Calculus on finite weighted graphs

İçinde matematik, sonlu ağırlıklı grafikler üzerinde hesaplama bir ayrık hesap fonksiyonlar için alan adı bir köşe kümesidir grafik sınırlı sayıda köşeler ve ilgili ağırlıklar kenarlar. Bu, ayrı ayrı formüle etmeyi içerir operatörler Diferansiyel operatörlere benzer grafiklerde hesap, gibi grafik Laplacians (veya ayrık Laplace operatörleri ) ayrık versiyonları olarak Laplacian ve bu operatörleri kullanarak diferansiyel denklemler, fark denklemleri veya varyasyonel modeller ayrık versiyonları olarak yorumlanabilen grafikler üzerinde kısmi diferansiyel denklemler veya sürekli varyasyonel modeller. Bu tür denklemler ve modeller, birçok farklı araştırma alanında ayrı bilgileri matematiksel olarak modellemek, analiz etmek ve işlemek için önemli araçlardır. görüntü işleme, makine öğrenme, ve Ağ analizi.

Uygulamalarda, sonlu ağırlıklı grafikler, grafiğin köşelerine göre sonlu sayıda varlığı, bu varlıklar arasındaki herhangi bir ikili ilişkiyi grafik kenarlarıyla ve bir ilişkinin önemini bir kenar ağırlık fonksiyonu ile temsil eder. Bu tür grafiklerdeki diferansiyel denklemler veya fark denklemleri, aşağıdaki gibi görevler için grafiğin yapısından yararlanmak için kullanılabilir. Resim parçalama (köşelerin temsil ettiği yer piksel ve ağırlıklı kenarlar, piksel benzerliğini şu karşılaştırmalara göre kodlar: Moore mahalleleri veya daha büyük pencereler), veri kümeleme, veri sınıflandırması veya topluluk içinde algılama sosyal ağ (köşelerin ağın kullanıcılarını temsil ettiği yerlerde, kenarlar kullanıcılar arasındaki bağlantıları temsil eder ve ağırlık işlevi kullanıcılar arasındaki etkileşimlerin gücünü belirtir).

Sonlu ağırlıklı grafiklerin temel avantajı, ayrık gibi son derece düzenli yapılarla sınırlı kalmamasıdır. normal ızgaralar, kafes grafikler veya ağlar. Soyut verileri düzensiz ilişkilerle temsil etmek için kullanılabilirler.

Sonlu ağırlıklı bir grafik bir Öklid uzayına geometrik olarak gömülmüşse, yani grafik köşeleri bu uzayın noktalarını temsil ediyorsa, o zaman ilgili bir grafiğin ayrı bir yaklaşımı olarak yorumlanabilir. yerel olmayan operatör süreklilik ayarında.

Temel tanımlar

Bir sonlu ağırlıklı grafik üçlü olarak tanımlanır hangisi için

  • , olarak belirtilen sonlu bir dizin kümesidir grafik köşeleri veya düğümler,
  • sonlu bir dizi (yönetilen) grafik kenarları bir alt köşe kümesini bağlamak,
  • bir kenar ağırlık işlevi grafiğin kenarlarında tanımlanır.

İçinde Yönlendirilmiş grafik, her kenar var düğüm başlat ve bir son düğüm . Bir yönsüz grafik her yön için bir kenar var ve ağırlık fonksiyonunun simetrik olması gerekir, yani .[1] Bu sayfanın geri kalanında, aksi özellikle belirtilmedikçe, grafiklerin yönsüz olduğu varsayılacaktır. Bu sayfada sunulan fikirlerin çoğu yönlendirilmiş grafiklere genelleştirilebilir.[1]

kenar ağırlık işlevi her yönüyle ilişkilendirilir gerçek bir değer . Hem matematiksel hem de uygulamaya özgü nedenlerden ötürü, kenarlardaki ağırlık işlevinin genellikle kesinlikle pozitif olması gerekir ve bu sayfada, aksi özellikle belirtilmedikçe böyle olduğu varsayılacaktır. Bu sayfada sunulan fikirlerin çoğunun, negatif ağırlıklı kenarları içerecek şekilde genelleştirilmesi mümkündür. Bazen kenar ağırlığı işlevinin etki alanının bir uzantısı dikkate alınır (sonuçta ortaya çıkan işlev hala kenar ağırlık işlevi) ayarlayarak her ne zaman .

Uygulamalarda her biri grafik tepe noktası genellikle verilen verilerdeki tek bir varlığı temsil eder, örneğin, sonlu bir veri kümesinin öğeleri, bir görüntüdeki pikseller veya bir sosyal ağdaki kullanıcılar. Bir grafik kenarı iki varlık arasındaki bir ilişkiyi temsil eder, ör. geometrik komşulukların (örneğin görüntülerdeki piksellerin) veya başka bir özelliğin karşılaştırmalarına dayanan ikili etkileşimler veya benzerlik, bu ilişkinin gücünü kodlayan kenar ağırlığı ile. En yaygın olarak kullanılan ağırlık fonksiyonları, 0 ile 1 arasındaki değerlerle eşleşecek şekilde normalleştirilir, yani, .

Aşağıda, dikkate alınan grafiklerin olduğu varsayılmaktadır. bağlı olmadan kendi kendine döngüler veya çoklu kenarlar köşeler arasında. Bu varsayımlar çoğu uygulamada olduğu gibi çoğunlukla zararsızdır. bağlı bileşen Bağlantısız bir grafiğin her görünümü, kendi başına bir grafik olarak değerlendirilebilir. (kendi kendine döngülerin varlığında sıfır olmayan olacaktır), ne zaman ortadan kaybolan başka bir faktörün varlığında ortaya çıkar. (görmek diferansiyel grafik operatörleri ile ilgili bölüm aşağıda) ve kenar ağırlıkları, çok sayıda kenarın yapabildiği benzer bilgileri kodlayabilir.

Semt

Bir düğüm bir komşu düğümün bir kenar varsa . Gösterim açısından bu ilişki şu şekilde kısaltılabilir: , " komşusu ". Aksi takdirde, eğer komşusu değil biri yazar .The Semt bir tepe noktası basitçe komşular .The derece bir tepe noktası mahallesinin ağırlıklı boyutu:

Dikkat edin özel durumda açık (yani grafik ağırlıksız) sahibiz .

Gerçek köşe fonksiyonlarının uzayı

İzin Vermek ol (gerçek) köşe fonksiyonlarının alanı. Dan beri sonlu bir küme, herhangi bir köşe işlevi olarak temsil edilebilir boyutlu vektör (nerede ) ve dolayısıyla köşe fonksiyonlarının alanı bir ile tanımlanabilir boyutlu Hilbert uzayı: . İç çarpımı olarak tanımlanır:

Ayrıca, herhangi bir köşe işlevi için -norm ve -normu şu şekilde tanımlanır:

-norm, iç çarpım tarafından indüklenir.

Uygulamalarda köşe fonksiyonları, düğümlerin köşelerini etiketlemek için kullanışlıdır. Örneğin, grafik tabanlı veri kümelemede, her düğüm bir veri noktasını temsil eder ve düğümlerin küme üyeliğini tanımlamak için bir köşe işlevi kullanılır.

Gerçek kenar fonksiyonlarının alanı

Gerçek köşe işlevlerine benzer şekilde, biri gerçek kenar fonksiyonlarının alanı . Herhangi bir kenar işlevi olarak sonlu bir kenar kümesi üzerinde tanımlanır şu şekilde temsil edilebilir: boyutlu vektör , nerede . Bu nedenle, kenar fonksiyonlarının alanı olarak tanımlanabilir boyutlu Hilbert uzayı, yani .

Kenar işlevinin özel bir durumu, normalleştirilmiş kenar ağırlığı işlevi yukarıda tanıtıldı temel tanımlarla ilgili bölüm. Bu işleve benzer şekilde, herhangi bir kenar işlevi önemsiz şekilde genişletilebilir ayarlayarak Eğer . Bu genişletilmiş kenar işlevlerinin alanı hala şu şekilde gösterilir: ve ile tanımlanabilir , Şimdi nerde .

İç çarpımı olarak tanımlanır:

Ek olarak, herhangi bir kenar işlevi için -norm ve -normu şu şekilde tanımlanır:

-norm, iç çarpım tarafından indüklenir.

Biri kenar setini uzatırsa öyle bir şekilde anlaşılıyor ki Çünkü . Bu, her kenar işlevinin bir doğrusal matris operatörüyle tanımlanabileceği anlamına gelir.

Diferansiyel grafik operatörleri

Sonlu ağırlıklı grafikler üzerinde hesaplamadaki önemli bir bileşen, sonlu ağırlıklı grafiklerin ayrık ayarındaki süreklilik ayarından standart diferansiyel operatörlerin taklit edilmesidir.Bu, kısmi diferansiyel denklemler ve varyasyonel yöntemler gibi matematikten iyi çalışılmış araçları çevirmeye izin verir. ve bunları bir grafikle en iyi şekilde modellenebilecek uygulamalarda kullanılabilir hale getirin. Bu dönüştürmeyi mümkün kılan temel kavram, grafiklerde birinci dereceden bir fark operatörü olan grafik gradyanıdır. Buna dayanarak, yüksek dereceli fark operatörleri, örneğin grafik Laplacian türetilebilir.

Birinci dereceden diferansiyel operatörler

Ağırlıklı farklılıklar

İzin Vermek sonlu ağırlıklı bir grafik olsun ve bir köşe işlevi olabilir. Sonra ağırlıklı fark (veya ağırlıklı grafik türevi) nın-nin yönlendirilmiş bir kenar boyunca dır-dir

Herhangi bir ağırlıklı fark için aşağıdaki özellikler geçerlidir:

Ağırlıklı gradyan

Ağırlıklı farklar kavramına dayalı olarak kişi, ağırlıklı gradyan operatörü grafiklerde gibi

Bu bir doğrusal operatör.

Ölçmek için yerel varyasyon bir köşe işlevinin bir tepe noktasında gradyan kısıtlanabilir nın-nin başlayan tüm yönlendirilmiş kenarlara ve kullanarak -bu kenar işlevinin biçimi, yani,

Ağırlıklı ıraksama

ek operatör Ağırlıklı gradyan operatörünün% 90'ı ile tanımlanan doğrusal bir operatördür

Simetrik ağırlık fonksiyonuna sahip yönsüz grafikler için eş operatör bir fonksiyonun bir tepe noktasında aşağıdaki biçime sahiptir:

Daha sonra biri tanımlanabilir ağırlıklı diverjans operatörü ek operatör aracılığıyla grafiklerde . Bir grafikteki sapma, grafiğin her köşesindeki bir kenar fonksiyonunun net çıkışını ölçer.

İkinci dereceden diferansiyel operatörler

Grafik Laplace operatörü

ağırlıklı grafik Laplacian grafik ayarında iyi çalışılmış bir operatördür. İlişkiyi taklit etmek Laplace operatörünün süreklilik ayarında, ağırlıklı grafik Laplacian herhangi bir tepe noktası için türetilebilir gibi:

Birinin, grafiğin yönlendirilmemiş ve simetrik ağırlık işlevine sahip bu temsil için.

Grafik p-Laplace operatörleri

Sürekli -Laplace operatörü, sonlu ağırlıklı grafiklere iyi çevrilebilen ikinci dereceden bir diferansiyel operatördür. Isı denklemi gibi çeşitli kısmi diferansiyel denklemlerin grafik ayarına çevrilmesine izin verir.

Grafiklerdeki birinci dereceden kısmi fark operatörlerine dayanarak, bir kişi resmi olarak bir aile ağırlıklı grafik -Laplace operatörleri için ayrıkların en aza indirilmesi ile -Dirichlet enerji fonksiyonel

Enerji fonksiyonunun en aza indirilmesi için gerekli optimallik koşulları grafiğin aşağıdaki tanımına götürür -Laplacian:

Grafik Laplace operatörünün grafiğin özel bir durumu olduğuna dikkat edin -Laplace operatörü yani

Başvurular

Sonlu ağırlıklı grafikler üzerindeki hesaplama, görüntü işleme, makine öğrenimi ve ağ analizi gibi farklı alanlardan çok çeşitli uygulamalarda kullanılır.Sonlu ağırlıklı grafiklerin kullanıldığı, kapsamlı olmayan bir görev listesi:

Ayrıca bakınız

Notlar

1.^ Biraz farklı bir tanım olduğuna dikkat edin yönsüz grafik aynı zamanda kullanımda olup, yönsüz bir kenarı bir iki set (iki farklı öğeden oluşan set) bir çift yerine sıralı çiftler ve . Burada, ikinci tanıma ihtiyaç duyulduğu için, (görmek kenar fonksiyonları uzayı ile ilgili bölüm ) farklı değerler almak için ve .

Referanslar

  1. ^ Luxburg, Ulrike von; Audibert, Jean-Yves; Hein, Matthias (2007). "Laplacians ve Yakınsamalarının Rastgele Mahalle Grafikleri Üzerindeki Grafiği". Makine Öğrenimi Araştırmaları Dergisi. 8 (Haz): 1325–1368. ISSN  1533-7928.
  2. ^ a b Gilboa, Guy; Osher, Stanley (2009). "Görüntü İşleme Uygulamaları ile Yerel Olmayan Operatörler". Çok Ölçekli Modelleme ve Simülasyon. 7 (3): 1005–1028. doi:10.1137/070698592. ISSN  1540-3459. S2CID  7153727.
  3. ^ a b Elmoataz, A .; Lezoray, O .; Bougleux, S. (2008). "Ağırlıklı Grafiklerde Yerel Olmayan Ayrık Düzenlemeler: Görüntü ve Manifold İşleme için Bir Çerçeve". Görüntü İşlemede IEEE İşlemleri. 17 (7): 1047–1060. doi:10.1109 / TIP.2008.924284. ISSN  1057-7149. PMID  18586614.
  4. ^ Desquesnes, Xavier; Elmoataz, Abderrahim; Lézoray, Olivier (2013). "Ağırlıklı Grafiklerde Eikonal Denklem Uyarlaması: Yerel ve Yerel Olmayan Görüntü ve Veri İşleme için Hızlı Geometrik Difüzyon İşlemi" (PDF). Matematiksel Görüntüleme ve Görme Dergisi. 46 (2): 238–257. doi:10.1007 / s10851-012-0380-9. ISSN  0924-9907.
  5. ^ Elmoataz, Abderrahim; Toutain, Matthieu; Tenbrinck Daniel (2015). "$ P $ -Laplacian ve $ infty $ -Laplacian'da Görüntü ve Veri İşlemede Uygulamalar İçeren Grafiklerde". SIAM Görüntüleme Bilimleri Dergisi. 8 (4): 2412–2451. doi:10.1137 / 15M1022793. ISSN  1936-4954. S2CID  40848152.
  6. ^ Mahmood, Faisal; Shahid, Nauman; Skoglund, Ulf; Vandergheynst, Pierre (2018). "Tomografik Yeniden Yapılandırmalar için Uyarlanabilir Grafik Tabanlı Toplam Varyasyon". IEEE Sinyal İşleme Mektupları. 25 (5): 700–704. arXiv:1610.00893. doi:10.1109 / LSP.2018.2816582. ISSN  1070-9908.
  7. ^ Peyré, Gabriel; Bougleux, Sébastien; Cohen, Laurent (2008). Forsyth, David; Torr, Philip; Zisserman, Andrew (editörler). Ters Problemlerin Yerel Olmayan Düzenlenmesi. 5304. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. s. 57–68. doi:10.1007/978-3-540-88690-7_5. ISBN  9783540886891. S2CID  1044368.
  8. ^ Bühler, Thomas; Hein, Matthias (2009). "P -Laplacian grafiğine dayalı spektral kümeleme". 26. Uluslararası Makine Öğrenimi Konferansı Bildirileri - ICML '09. Montreal, Quebec, Kanada: ACM Press: 1-8. doi:10.1145/1553374.1553385. ISBN  9781605585161.
  9. ^ Pastiller, Francois; Elmoataz, Abderrahim; Lezoray, Olivier (2014). "Yüzeylerde ve Nokta Bulutlarında Görüntü İşleme İçin Ağırlıklı Grafiklerde Kısmi Fark Operatörleri" (PDF). Görüntü İşlemede IEEE İşlemleri. 23 (9): 3896–3909. doi:10.1109 / TIP.2014.2336548. ISSN  1057-7149. PMID  25020095.