从模型分析和机器学习中的比较到医疗数据集集合中的趋势发现，需要有效地比较和表示具有未知字段的数据集跨越各个字段。我们使用歧管学习来比较不同数据集的固有几何结构，通过比较其扩散操作员，对称阳性定义（SPD）矩阵，这些矩阵与连续的拉普拉斯 - 贝特拉米操作员与离散样品的近似相关。现有方法通常假设已知的数据对齐，并以点数的方式比较此类运算符。取而代之的是，我们利用SPD矩阵的Riemannian几何形状比较了这些操作员并根据log-euclidean Metric的下限定义了新的理论动机距离。我们的框架有助于比较具有不同大小，功能数量和测量方式的数据集中表达的数据歧管的比较。我们的日志 - 欧几里德签名（LES）距离恢复了有意义的结构差异，在各种应用领域的表现都优于竞争方法。

在本文中，我们提出了一种用于几个样本监督功能选择（FS）的新方法。我们的方法首先使用捕获多功能关联的内核来了解每个类的特征空间的歧视。然后，基于Riemannian几何形状，计算复合内核，从而提取了学习的特征关联之间的差异。最后，提出了基于光谱分析的FS分数。考虑多功能关联使我们的方法逐个设计。反过来，这允许提取特征基础的隐藏歧管，并避免过度拟合，从而促进少量样本FS。我们展示了我们方法在说明性示例和几个基准测试方面的功效，在其中我们的方法在选择与竞争方法相比选择信息性特征的准确性更高。此外，我们表明，当应用于测试数据时，我们的FS会导致改进的分类和更好的概括。

适当地表示数据库中的元素，以便可以准确匹配查询是信息检索的核心任务；最近，通过使用各种指标将数据库的图形结构嵌入层次结构的方式中来实现。持久性同源性是一种在拓扑数据分析中常用的工具，能够严格地以其层次结构和连接结构来表征数据库。计算各种嵌入式数据集上的持续同源性表明，一些常用的嵌入式无法保留连接性。我们表明，那些成功保留数据库拓扑的嵌入通过引入两种扩张不变的比较措施来捕获这种效果，尤其是解决了对流形的度量扭曲问题。我们为它们的计算提供了一种算法，该算法大大降低了现有方法的时间复杂性。我们使用这些措施来执行基于拓扑的信息检索的第一个实例，并证明了其在持久同源性的标准瓶颈距离上的性能提高。我们在不同数据品种的数据库中展示了我们的方法，包括文本，视频和医学图像。

了解生物和人造网络的运作仍然是一个艰难而重要的挑战。为了确定一般原则，研究人员越来越有兴趣测量培训的大量网络，或者在培训或生物学地适应类似的任务。现在需要一种标准化的分析工具来确定网络级协变量 - 例如架构，解剖脑区和模型生物 - 影响神经表示（隐藏层激活）。在这里，我们通过定义量化代表性异化的广泛的公制空间，为这些分析提供严格的基础。使用本框架，我们根据规范相关分析修改现有的代表性相似度量，以满足三角形不等式，制定致扫描层中的感应偏差的新型度量，并识别使网络表示能够结合到基本上的近似的欧几里德嵌入物。货架机学习方法。我们展示了来自生物学（Allen Institute脑观测所）和深度学习（NAS-BENCH-101）的大规模数据集的这些方法。在这样做时，我们识别在解剖特征和模型性能方面可解释的神经表现之间的关系。

散射变换是一种基于小波的多层转换，最初是作为卷积神经网络（CNN）的模型引入的，它在我们对这些网络稳定性和不变性属性的理解中发挥了基础作用。随后，人们普遍兴趣将CNN的成功扩展到具有非欧盟结构的数据集，例如图形和歧管，从而导致了几何深度学习的新兴领域。为了提高我们对这个新领域中使用的体系结构的理解，几篇论文提出了对非欧几里得数据结构（如无方向的图形和紧凑的Riemannian歧管）的散射转换的概括。在本文中，我们介绍了一个通用的统一模型，用于测量空间上的几何散射。我们提出的框架包括以前的几何散射作品作为特殊情况，但也适用于更通用的设置，例如有向图，签名图和带边界的歧管。我们提出了一个新标准，该标准可以识别哪些有用表示应该不变的组，并表明该标准足以确保散射变换具有理想的稳定性和不变性属性。此外，我们考虑从随机采样未知歧管获得的有限度量空间。我们提出了两种构造数据驱动图的方法，在该图上相关的图形散射转换近似于基础歧管上的散射变换。此外，我们使用基于扩散图的方法来证明这些近似值之一的收敛速率的定量估计值，因为样品点的数量趋向于无穷大。最后，我们在球形图像，有向图和高维单细胞数据上展示了方法的实用性。

我们介绍了一种算法，用于计算采样歧管的测量测量算法，其依赖于对采样数据的植物嵌入的曲线图的模拟。我们的方法利用经典的结果在半导体分析和量子古典对应中，并形成用于学习数据集的歧管的技术的基础，随后用于高维数据集的非线性维度降低。我们以基于CoVID-19移动数据的聚类演示，从模型歧管中采样数据采样的数据，并通过集群演示来说明新的算法。最后，我们的方法揭示了数据采样和量化提供的离散化之间有趣的连接。

我们研究了紧凑型歧管M上的回归问题。为了利用数据的基本几何形状和拓扑结构，回归任务是基于歧管的前几个特征函数执行的，该特征是歧管的laplace-beltrami操作员，通过拓扑处罚进行正规化。提出的惩罚基于本征函数或估计功能的子级集的拓扑。显示总体方法可在合成和真实数据集上对各种应用产生有希望的和竞争性能。我们还根据回归函数估计，其预测误差及其平滑度（从拓扑意义上）提供理论保证。综上所述，这些结果支持我们方法在目标函数“拓扑平滑”的情况下的相关性。

In this paper, we propose Wasserstein Isometric Mapping (Wassmap), a nonlinear dimensionality reduction technique that provides solutions to some drawbacks in existing global nonlinear dimensionality reduction algorithms in imaging applications. Wassmap represents images via probability measures in Wasserstein space, then uses pairwise Wasserstein distances between the associated measures to produce a low-dimensional, approximately isometric embedding. We show that the algorithm is able to exactly recover parameters of some image manifolds including those generated by translations or dilations of a fixed generating measure. Additionally, we show that a discrete version of the algorithm retrieves parameters from manifolds generated from discrete measures by providing a theoretical bridge to transfer recovery results from functional data to discrete data. Testing of the proposed algorithms on various image data manifolds show that Wassmap yields good embeddings compared with other global and local techniques.

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

有限维概率单纯x中的聚类分类分布是处理归一化直方图的许多应用中的基本任务。传统上，概率单位的差分几何结构已经通过（i）将Riemannian公制矩阵设定为分类分布的Fisher信息矩阵，或（ii）定义由平滑异化性引起的二元信息 - 几何结构衡量标准，kullback-leibler发散。在这项工作中，我们介绍了群集任务一种新颖的计算型友好框架，用于在几何上建模概率单纯x：{\ em hilbert simplex几何}。在Hilbert Simplex几何形状中，距离是不可分离的Hilbert公制距离，其满足与多光镜边界描述的距离水平集功能的信息单调性的特性。我们表明，Aitchison和Hilbert Simplex的距离分别是关于$ \ ell_2 $和变化规范的标准化对数表示的距离。我们讨论了这些不同的统计建模的利弊，并通过基于基于中心的$ k $ -means和$ k $ -center聚类的基准这些不同的几何形状。此外，由于可以在欧几里德空间的任何有界凸形子集上定义规范希尔伯特距离，因此我们还考虑了与FR \“Obenius和Log-Det分歧相比的相关矩阵的椭圆形的几何形状并研究其聚类性能。

产品空间的嵌入方法是用于复杂数据结构的低失真和低维表示的强大技术。在这里，我们解决了Euclidean，球形和双曲线产品的产品空间形式的线性分类新问题。首先，我们描述了使用测地仪和黎曼·歧木的线性分类器的新型制剂，其使用大气和黎曼指标在向量空间中推广直线和内部产品。其次，我们证明了$ D $ -dimential空间形式的线性分类器的任何曲率具有相同的表现力，即，它们可以粉碎恰好$ d + 1 $积分。第三，我们在产品空间形式中正式化线性分类器，描述了第一个已知的Perceptron和支持这些空间的传染媒介机分类器，并为感知者建立严格的融合结果。此外，我们证明了vapnik-chervonenkis尺寸在尺寸的产品空间形式的线性分类器的维度为\ {至少} $ d + 1 $。我们支持我们的理论发现，在多个数据集上模拟，包括合成数据，图像数据和单细胞RNA测序（SCRNA-SEQ）数据。结果表明，与相同维度的欧几里德空间中的欧几里德空间中，SCRNA-SEQ数据的低维产品空间形式的分类为SCRNA-SEQ数据提供了$ \ SIM15 \％$的性能改进。

Experimental sciences have come to depend heavily on our ability to organize, interpret and analyze high-dimensional datasets produced from observations of a large number of variables governed by natural processes. Natural laws, conservation principles, and dynamical structure introduce intricate inter-dependencies among these observed variables, which in turn yield geometric structure, with fewer degrees of freedom, on the dataset. We show how fine-scale features of this structure in data can be extracted from \emph{discrete} approximations to quantum mechanical processes given by data-driven graph Laplacians and localized wavepackets. This data-driven quantization procedure leads to a novel, yet natural uncertainty principle for data analysis induced by limited data. We illustrate the new approach with algorithms and several applications to real-world data, including the learning of patterns and anomalies in social distancing and mobility behavior during the COVID-19 pandemic.

在非参数回归中，落在欧几里德空间的限制子集中是常见的。基于典型的内核的方法，不考虑收集观察的域的内在几何学可能产生次优效果。在本文中，我们专注于在高斯过程（GP）模型的背景下解决这个问题，提出了一种新的基于Graplacian的GPS（GL-GPS），该GPS（GL-GPS），该GPS（GL-GPS）学习尊重输入域几何的协方差。随着热核的难以计算地，我们使用Prop Laplacian（GL）的有限许多特征方来近似协方差。 GL由内核构成，仅取决于输入的欧几里德坐标。因此，我们可以从关于内核的完整知识中受益，以通过NYSTR \“{o} M型扩展来将协方差结构扩展到新到达的样本。我们为GL-GP方法提供了实质性的理论支持，并说明了性能提升各种应用。

数据表示的比较是一个复杂的多个方面问题，尚未享受完整的解决方案。我们提出了一种用于比较两个数据表示的方法。我们介绍了表示拓扑分歧（RTD），测量在两点云之间的多尺度拓扑中的异常相同，在点之间的一对一的对应关系。数据点云被允许位于不同的环境空间中。RTD是少数基于TDA的实用方法之一，适用于真实机器学习数据集。实验表明，提议的RTD同意对数据表示相似性的直观评估，对其拓扑结构敏感。我们申请RTD在各种问题的计算机视觉和NLP域中获得神经网络表示的见解：培训动力学分析，数据分配转移，转移学习，集合学习，解剖学评估。

大多数维度降低方法采用频域表示，从基质对角线化获得，并且对于具有较高固有维度的大型数据集可能不会有效。为了应对这一挑战，相关的聚类和投影（CCP）提供了一种新的数据域策略，不需要解决任何矩阵。CCP将高维特征分配到相关的群集中，然后根据样本相关性将每个集群中的特征分为一个一维表示。引入了残留相似性（R-S）分数和索引，Riemannian歧管中的数据形状以及基于代数拓扑的持久性Laplacian进行可视化和分析。建议的方法通过与各种机器学习算法相关的基准数据集验证。

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

我们介绍了一类小说的预计方法，对实际线上的概率分布数据集进行统计分析，具有2-Wassersein指标。我们特别关注主成分分析（PCA）和回归。为了定义这些模型，我们通过将数据映射到合适的线性空间并使用度量投影运算符来限制Wassersein空间中的结果来利用与其弱利米结构密切相关的Wasserstein空间的表示。通过仔细选择切线，我们能够推出快速的经验方法，利用受约束的B样条近似。作为我们方法的副产品，我们还能够为PCA的PCA进行更快的例程来获得分布。通过仿真研究，我们将我们的方法与先前提出的方法进行比较，表明我们预计的PCA具有类似的性能，即使在拼盘下也是极其灵活的。研究了模型的若干理论性质，并证明了渐近一致性。讨论了两个真实世界应用于美国和风速预测的Covid-19死亡率。

我们在点云数据上引入了一种新的局部曲率量度，称为扩散曲率。我们的措施使用扩散图的框架，包括数据扩散操作员，结构点云数据，并根据从数据的点或区域开始的随机步行的懒惰定义局部曲率。我们表明，这种懒惰直接与Riemannian几何形状的体积比较结果有关。然后，我们使用基于点云数据扩散图的神经网络估计将此标量曲率概念扩展到整个二次形式。我们展示了关于玩具数据，单细胞数据以及估计神经网络损失景观本地Hessian矩阵的应用。

Many scientific fields study data with an underlying structure that is a non-Euclidean space. Some examples include social networks in computational social sciences, sensor networks in communications, functional networks in brain imaging, regulatory networks in genetics, and meshed surfaces in computer graphics. In many applications, such geometric data are large and complex (in the case of social networks, on the scale of billions), and are natural targets for machine learning techniques. In particular, we would like to use deep neural networks, which have recently proven to be powerful tools for a broad range of problems from computer vision, natural language processing, and audio analysis. However, these tools have been most successful on data with an underlying Euclidean or grid-like structure, and in cases where the invariances of these structures are built into networks used to model them.Geometric deep learning is an umbrella term for emerging techniques attempting to generalize (structured) deep neural models to non-Euclidean domains such as graphs and manifolds. The purpose of this paper is to overview different examples of geometric deep learning problems and present available solutions, key difficulties, applications, and future research directions in this nascent field.