本文旨在通过一种称为拓扑数据分析的方法来讨论一种量化数据“形状”的方法。拓扑数据分析中的主要工具是持续的同源性。这是从简单复合物的同源物中测量数据形状的一种手段，该方法在一系列值范围内计算出来。此处介绍了所需的背景理论和计算持续同源性的方法，并具有针对结构健康监测的应用。这些结果允许拓扑推断和推断高维数据中的功能的能力，否则可能会被忽略。为给定距离参数的数据构建了一个简单复合物。该复合物编码有关数据点局部接近性的信息。可以从这个简单复合物中计算出奇异的同源性值。扩展此想法，为一系列值提供了距离参数，并且在此范围内计算同源性。持续的同源性是在此间隔中如何持续存在数据的同源特征的一种表示。结果是数据的特征。还讨论了一种允许比较不同数据集的持续同源性的方法。

拓扑方法可以提供一种提出新的指标和审查数据的方法的方法，否则可能会忽略这一点。在这项工作中，将引入一种量化数据形状的方法，通过称为拓扑数据分析的主题。拓扑数据分析（TDA）中的主要工具是持续的同源性。持续的同源性是一种在长度范围内量化数据形状的方法。在这项工作中简要讨论了所需的背景和计算持续同源性的方法。然后，来自拓扑数据分析的思想被用于非线性动力学，以通过计算其嵌入维度，然后评估其一般拓扑来分析一些常见的吸引子。还将提出一种方法，该方法使用拓扑数据分析来确定时间延迟嵌入的最佳延迟。 TDA还将应用于结构健康监测中的Z24桥案例研究，在该Z24桥梁案例研究中，它将用于仔细检查不同的数据分区，并根据收集数据的条件进行分类。来自拓扑数据分析的度量标准用于比较分区之间的数据。提出的结果表明，损害的存在比温度所产生的影响更大。

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。

在本文中，我们使用拓扑数据分析技术来构造合适的神经网络分类器，用于根据其参考指定系统来构建整个发电厂的传感器信号的任务。我们使用持久性图的表示来推导必要的预处理步骤并可视化大量数据。我们使用一维卷积层的深度架构，与堆叠的长短期存储器相结合，作为适合于处理持久性特征的剩余网络。我们组合了三个单独的子网，获得了输入时间序列本身和零级持续同源的表示。我们为大多数使用的超参数提供了数学推导。为了验证，使用来自相同结构类型的四个发电厂的传感器数据进行数值实验。

无监督的特征学习通常会发现捕获复杂数据结构的低维嵌入。对于专家的任务可获得专家，将其纳入学习的代表可能会导致更高质量的嵌入品。例如，这可以帮助人们将数据嵌入给定的簇数，或者容纳阻止一个人直接在模型上衍生数据分布的噪声，然后可以更有效地学习。然而，缺乏将不同的先前拓扑知识集成到嵌入中的一般工具。虽然最近已经开发了可微分的拓扑层，但可以（重新）形状嵌入预定的拓扑模型，他们对代表学习有两个重要的局限性，我们在本文中解决了这一点。首先，目前建议的拓扑损失未能以自然的方式代表诸如群集和耀斑的简单模型。其次，这些损失忽略了对学习有用的数据中的所有原始结构（例如邻域）信息。我们通过引入一组新的拓扑损失来克服这些限制，并提出其用法作为拓扑正规规范数据嵌入来自然代表预定模型的一种方法。我们包括彻底的综合和实际数据实验，突出了这种方法的有用性和多功能性，其中应用范围从建模高维单胞胎数据进行建模到绘图嵌入。

我们考虑了$ d $维图像的新拓扑效率化，该图像通过在计算持久性之前与各种过滤器进行卷积。将卷积滤波器视为图像中的图案，结果卷积的持久图描述了图案在整个图像中分布的方式。我们称之为卷积持久性的管道扩展了拓扑结合图像数据中模式的能力。的确，我们证明（通常说）对于任何两个图像，人们都可以找到某些过滤器，它们会为其产生不同的持久图，以便给定图像的所有可能的卷积持久性图的收集是一个不变的不变性。通过表现出卷积的持久性是另一种拓扑不变的持续性副学变换的特殊情况，这证明了这一点。卷积持久性的其他优势是提高噪声的稳定性和鲁棒性，对数据依赖性矢量化的更大灵活性以及对具有较大步幅向量的卷积的计算复杂性降低。此外，我们还有一套实验表明，即使人们使用随机过滤器并通过仅记录其总持久性，卷积大大提高了持久性的预测能力，即使一个人使用随机过滤器并将结果图进行量化。

持续的同源性（PH）是拓扑数据分析中最流行的方法之一。尽管PH已用于许多不同类型的应用程序中，但其成功背后的原因仍然难以捉摸。特别是，尚不知道哪种类别的问题最有效，或者在多大程度上可以检测几何或拓扑特征。这项工作的目的是确定pH在数据分析中比其他方法更好甚至更好的问题。我们考虑三个基本形状分析任务：从形状采样的2D和3D点云中检测孔数，曲率和凸度。实验表明，pH在这些任务中取得了成功，超过了几个基线，包括PointNet，这是一个精确地受到点云的属性启发的体系结构。此外，我们观察到，pH对于有限的计算资源和有限的培训数据以及分布外测试数据，包括各种数据转换和噪声，仍然有效。

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。

时间序列分析中产生的最重要的问题之一是分叉或变化点检测。也就是说，给定时间序列的集合在不同的参数上，何时基础动力系统的结构发生了变化？对于此任务，我们转向拓扑数据分析（TDA）的领域，该领域编码有关数据形状和结构的信息。近年来，利用TDA的工具用于信号处理任务（称为拓扑信号处理（TSP）（TSP））的想法在很大程度上通过标准管道获得了很多关注，该标准管道计算出Takens嵌入产生的点云的持久同源性。但是，此过程受到计算时间的限制，因为在这种情况下生成的简单复合物很大，但也有很多冗余数据。因此，我们求助于编码吸引子结构的最新方法，该方法构建了代表有关何时在状态空间区域之间动态系统传递的信息的序数分区网络（OPN）。结果是一个加权图，其结构编码有关基础吸引子的信息。我们以前的工作开始寻找以TDA适合的方式包装OPN信息的方法。但是，这项工作仅使用网络结构，而没有采取任何行动来编码其他加权信息。在本文中，我们采取下一步：构建管道来分析使用TDA的加权OPN，并表明该框架为系统中的噪声或扰动提供了更大的弹性，并提高了动态状态检测的准确性。

Persistent homology, a powerful mathematical tool for data analysis, summarizes the shape of data through tracking topological features across changes in different scales. Classical algorithms for persistent homology are often constrained by running times and memory requirements that grow exponentially on the number of data points. To surpass this problem, two quantum algorithms of persistent homology have been developed based on two different approaches. However, both of these quantum algorithms consider a data set in the form of a point cloud, which can be restrictive considering that many data sets come in the form of time series. In this paper, we alleviate this issue by establishing a quantum Takens's delay embedding algorithm, which turns a time series into a point cloud by considering a pertinent embedding into a higher dimensional space. Having this quantum transformation of time series to point clouds, then one may use a quantum persistent homology algorithm to extract the topological features from the point cloud associated with the original times series.

本文介绍了用于持久图计算的有效算法，给定一个输入分段线性标量字段f在D上定义的d二维简单复杂k，并带有$ d \ leq 3 $。我们的方法通过引入三个主要加速度来扩展开创性的“ Paircells”算法。首先，我们在离散摩尔斯理论的设置中表达了该算法，该算法大大减少了要考虑的输入简单数量。其次，我们介绍了问题的分层方法，我们称之为“夹心”。具体而言，minima-saddle持久性对（$ d_0（f）$）和鞍 - 最大持久对（$ d_ {d-1}（f）$）是通过与Union-Find-Find-Find-Find-Find-Find-Find-Find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find of nourstable组的1个有效计算的。 - addles和（D-1）addles的稳定集。尺寸为0和（D-1）的快速处理进一步减少，并且大幅度降低了$ d_1（f）$，即三明治的中间层的计算$ d_1（f）$的关键简单数量。第三，我们通过共享记忆并行性记录了几个绩效改进。我们为可重复性目的提供了算法的开源实施。我们还贡献了一个可重复的基准软件包，该基准软件包利用了公共存储库中的三维数据，并将我们的算法与各种公开可用的实现进行了比较。广泛的实验表明，我们的算法提高了两个数量级，即它扩展的开创性“ Paircells”算法的时间性能。此外，它还改善了14种竞争方法的选择，改善了记忆足迹和时间性能，比最快的可用方法具有可观的增长，同时产生了严格的输出。我们通过应用于表面，音量数据和高维点云的持续性一维发电机的快速和稳健提取的应用来说明我们的贡献实用性。

Image segmentation is a largely researched field where neural networks find vast applications in many facets of technology. Some of the most popular approaches to train segmentation networks employ loss functions optimizing pixel-overlap, an objective that is insufficient for many segmentation tasks. In recent years, their limitations fueled a growing interest in topology-aware methods, which aim to recover the correct topology of the segmented structures. However, so far, none of the existing approaches achieve a spatially correct matching between the topological features of ground truth and prediction. In this work, we propose the first topologically and feature-wise accurate metric and loss function for supervised image segmentation, which we term Betti matching. We show how induced matchings guarantee the spatially correct matching between barcodes in a segmentation setting. Furthermore, we propose an efficient algorithm to compute the Betti matching of images. We show that the Betti matching error is an interpretable metric to evaluate the topological correctness of segmentations, which is more sensitive than the well-established Betti number error. Moreover, the differentiability of the Betti matching loss enables its use as a loss function. It improves the topological performance of segmentation networks across six diverse datasets while preserving the volumetric performance. Our code is available in https://github.com/nstucki/Betti-matching.

量子计算为某些问题提供了指数加速的潜力。但是，许多具有可证明加速的现有算法都需要当前不可用的耐故障量子计算机。我们提出了NISQ-TDA，这是第一个完全实现的量子机学习算法，其在任意经典（非手动）数据上具有可证明的指数加速，并且仅需要线性电路深度。我们报告了我们的NISQ-TDA算法的成功执行，该算法应用于在量子计算设备以及嘈杂的量子模拟器上运行的小数据集。我们从经验上证实，该算法对噪声是可靠的，并提供了目标深度和噪声水平，以实现现实世界中问题的近期，无耐受耐受性的量子优势。我们独特的数据加载投影方法是噪声鲁棒性的主要来源，引入了一种新的自我校正数据加载方法。

Tools of Topological Data Analysis provide stable summaries encapsulating the shape of the considered data. Persistent homology, the most standard and well studied data summary, suffers a number of limitations; its computations are hard to distribute, it is hard to generalize to multifiltrations and is computationally prohibitive for big data-sets. In this paper we study the concept of Euler Characteristics Curves, for one parameter filtrations and Euler Characteristic Profiles, for multi-parameter filtrations. While being a weaker invariant in one dimension, we show that Euler Characteristic based approaches do not possess some handicaps of persistent homology; we show efficient algorithms to compute them in a distributed way, their generalization to multifiltrations and practical applicability for big data problems. In addition we show that the Euler Curves and Profiles enjoys certain type of stability which makes them robust tool in data analysis. Lastly, to show their practical applicability, multiple use-cases are considered.

在网络复杂性，可解释性和性能方面，各种拓扑技术和工具已应用于神经网络。这一研究线的一个基本假设是存在拓扑层的全局（欧几里德）坐标系的存在。尽管结果有前景，但这种\ extentIT {拓扑化}方法尚未被广泛采用，因为拓扑层的参数化需要相当多的时间，更重要的是，缺乏理论基础，无论是神经网络的性能都达到了次优表现。本文提出了神经网络的学习拓扑层，而无需欧几里德空间;相反，拟议的施工只需多于一般的公制空间，除了内部产品，即希尔伯特空间。因此，根据所提出的拓扑层的参数化是不含用户指定的超参数计，这排除了昂贵的参数化阶段和相应的次优网络的可能性。

在发育过程中，细胞细胞共同居住与其新兴动态之间没有常规关联，这阻碍了我们对细胞种群如何扩散，分化和竞争的理解，即细胞生态学。随着单细胞RNA-Sequencing（RNA-Seq）的最新进展，我们可以通过构造表征细胞特异性转录程序基因表达谱的相似性的网络图来描述这种链接，并分析这些图系统地使用代数拓扑信息的摘要统计数据。我们提出了单细胞拓扑简单分析（SCTSA）。将这种方法应用于不同发展阶段的不同发育阶段的局部细胞网络的单细胞基因表达谱，这揭示了以前看不见的细胞生态拓扑结构。这些网络包含大量的单细胞剖面丛中的腔体，这些腔体指导了更复杂的居住形式的出现。与无效模型相比，我们使用这些网络的拓扑简单架构可视化这些生态模式。斑马鱼胚胎发生的单细胞RNA-seq数据跨越了38,731个细胞，25种细胞类型和12个时间步，我们的方法突出了胃肠道是最关键的阶段，与发育生物学的共识一致。作为非线性，独立和无监督的框架，我们的方法也可以应用于追踪多规模的细胞谱系，识别关键阶段或创建伪时间序列。

经验结果表明神经网络的可读性与其大小直接相关。为了数学方式证明这一点，我们借用拓扑代数的工具：Betti号码来衡量输入数据和神经网络的拓扑几何复杂性。通过以拓扑复杂性为神经网络的表征能力，我们进行彻底的分析，并表明网络的表现能力受其层的规模受到限制。此外，我们从网络内的每个层上得出了贝蒂数的上限。结果，改变了神经网络的架构选择的问题，以确定可以表示输入数据复杂度的网络的比例。利用所提出的结果，完全连接的网络的架构选择逐渐归功于网络的合适尺寸，使得它能够提供不小于输入数据的贝蒂数的贝蒂数。我们在真实的数据集Mnist上执行实验，结果验证了我们的分析和结论。该代码可公开可用。

近年来，变压器模型的引入引发了自然语言处理（NLP）的革命。伯特（Bert）是仅使用注意机制的第一批文本编码者之一，没有任何复发部分来实现许多NLP任务的最新结果。本文使用拓扑数据分析介绍了文本分类器。我们将BERT的注意图转换为注意图作为该分类器的唯一输入。该模型可以解决诸如将垃圾邮件与HAM消息区分开的任务，认识到语法正确的句子，或将电影评论评估为负面还是正面。它与BERT基线相当表现，并在某些任务上表现优于它。此外，我们提出了一种新方法，以减少拓扑分类器考虑的BERT注意力头的数量，这使我们能够修剪从144个下降到只有10个，而不会降低性能。我们的工作还表明，拓扑模型比原始的BERT模型表现出对对抗性攻击的鲁棒性，该模型在修剪过程中维持。据我们所知，这项工作是第一个在NLP背景下以对抗性攻击的基于拓扑的模型。

拓扑数据分析（TDA）是一种旨在发现隐藏在数据集中的拓扑信息的紧急领域。 TDA工具通常用于创建滤波器和拓扑描述符以改善机器学习（ML）方法。本文提出了一种算法，该算法将TDA直接应用于多级分类问题，而无需任何进一步的ML阶段，为不平衡数据集显示出优势。该算法在数据集上构建了一个过滤的单纯复合体。持续同源性（pH）被应用于指导选择未标记点的亚络合物，从标记的相邻点中获得大多数选票。我们选择具有不同尺寸的8个数据集，每类具有不同程度的类重叠和不平衡样本。平均而言，所提出的TDABC方法优于KNN和加权KNN。它在平衡数据集中的本地SVM和随机森林基线分类器竞争地表现得很竞争，并且它优于分类纠缠和少数群体的所有基线方法。

在本文中，我们定义了一种新的非Archimedian度量标准结构，称为CopHenetic度量标准，对所有度的持久同源性等级。然后，我们将Zeroth持续同源与许多不同度量的核心度量和分层聚类算法一起，根据我们在不同的数据集上获得的实验结果，提供统计上可靠的相应拓扑信息。我们还观察到来自坐骨距离的所产生的集群在内部和外部评估措施（如轮廓分数和Rand指数）方面都能发光。此外，由于为所有同源度定义了CopHenetic度量，因此现在可以通过植根树显示所有度的持续同源类别的关系。