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確率論とパーシステントホモロジー
白井朋之 1
九州大学 IMI
Dec. 23, 2017
1ENCOUTNERwithMATHEMATICS70 @Chuo Univ. on Dec.22-23, 2017,Supported by JSPS(26287019, 17K18740); JST CREST(15656429)
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 1 / 72
Contents
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 2 / 72
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 3 / 72
データからパーシステント図へ
1 各種データ点データ ⊂ RN
画像データ (pixel, voxel)関数のプロファイル多様体,コンパクト集合...
2 単体複体,セル複体などのフィルトレーション (単調増大族)(=⇒ パーシステント加群)
3 各次元のパーシステント図.4 パーシステント図に対するカーネル法
Dataf→ F(Cpx)
g→ PDh→ Hk
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 4 / 72
確率論とトポロジー I
George Polya (1921): 1, 2次元単純ランダムウォークは再帰的,3次元以上の単純ランダムウォークは非再帰的.Mark Kac (1966): Can one hear the shape of a drum?
∞∑
i=1
e−λi t ∼ |Ω|2πt
− L
4
1√2πt
+ (1− r)1
6(t → 0)
Ω は境界をもつ 2次元領域,L は境界の長さ,r は穴の個数.アイデアはブラウン運動を Ω 上で走らせる.Emile Picard (1878): 全複素平面上の正則函数 (整関数) f の値域がC \ a, b に含まれれば定数関数である.(Picardの小定理)Davis のアイデア (1975):C \ −1, 1 上でブラウン運動 f (Bt) を走らせて巻きつきがあることを示す.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 5 / 72
確率論とトポロジー II
Broadbent-Hammersley, Harris, Russo (1950後半から 1960年代):パーコレーションの問題 (化学者 Paul Flory (1940)によって考えられた).1960年代に数学の問題として定式化.例:パーコレーション確率 θ(p) := Pp(|C0| = ∞) の挙動.Harry Kesten (1982): Z2 上のボンドパーコレーションの臨界確率は1/2 であることを示す.
Figure: p = 1/4, 1/2, 3/4
パーコレーションの問題 = ランダムなグラフの「連結性」の問題白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 6 / 72
Random vs Statistical vs Deterministic
“My overall conclusion is that I believe stochastic methodswill transform pure and applied mathematics in the beginning ofthe third millenium. Probability and statistics will come to beviewed as the natural tools to use in mathematical as well asscientific modeling.”
— The Dawning of the Age of Stochasticity,David Mumford, 2000.
“I predict a new subject of statistical topology. Rather thancount the number of holes, Betti numbers, etc., one will be moreinterested in the distribution of such objects on noncompactmanifolds as one goes out to infinity.”
— Isadore Singer, 2004
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 7 / 72
その他のランダムトポロジーに関する研究Kolmogorov-Barzdin (1960s), Gromov-Guth (2011): グラフ (単体複体)のユークリッド空間への埋め込み.Adler (1980s), Adler-Taylor(2003), 栗木-竹村 (2000s): ガウス場の末尾確率の評価 (オイラー標数).Pippenger-Schleich (2006): ランダム triangulated surfacesDunfield-Thurston (2006): ランダム 3次元多様体.Farber-Kappeller (2007), Farber(2008): ランダムリンケージ(Random linkages)ランダム平面地図 (Random planar map): Schramm(2006, ICM)の問題.Le Gall, Miermont, Sheffield, Curien...n個の p角形からなる平面グラフを一様ランダムに取り出し有限距離空間 (Gn,p, d) とみなし,Schramm-Loewner-Evolution(SLE) 2次元確率モデルのスケール極限:Schramm (2000), Werner, Smirnov, Lawler.Linial-Meshulam (2006), Meshulam-Wallach (2009): ランダム複体白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 8 / 72
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 9 / 72
確率論とトポロジー III
Erdos-Renyi ランダムグラフ G (n, p) (1959,1960): n 点上の完全グラフにおいて,各辺独立に確率 p で辺を残して (確率 1− p で辺を除去して)得られるグラフ.
Figure: G (10, p). From p = 0.1 to p = 0.9 with increment 0.1
G (n, p) に対して,
E[次数] = (n − 1)p, E[辺の本数] =
(n
2
)p.
p(n) ∼ c/n とすると,平均次数が ∼ c となる.次数の分布は平均 c のポアソン分布に近い.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 10 / 72
Erdos-Renyi ランダムグラフの相転移 I
1 p(n) = c/n(c < 1): O(log n) より大きいサイズの連結成分は存在しない.
2 p(n) = 1/n: 最大の連結成分のサイズは O(n2/3).3 p(n) = c/n(c > 1): 最大の連結成分のサイズは O(n). 巨大連結成分
(giant component)という.それ以外の連結成分のサイズは O(log n).4 p(n) = log n/n: 連結性に対する閾値関数.つまり,
PG(n,p(n))(G は連結である) →0 p(n) = log n−ω(n)
n
1 p(n) = log n+ω(n)n
ただし,ω(n) は n → ∞ で発散する任意の数列.
Figure: From p = 0.1 to p = 0.9 with increment 0.1
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 11 / 72
Erdos-Renyi ランダムグラフの相転移 II
1 p(n) = c/n(c < 1): O(log n) より大きいサイズの連結成分は存在しない.
2 p(n) = 1/n: 最大の連結成分のサイズは O(n2/3).3 p(n) = c/n(c > 1): 最大の連結成分のサイズは O(n). 巨大連結成分
(giant component)という.それ以外の連結成分のサイズは O(log n).
Figure: n = 1000. From the left, p = 0.8/n, 1/n, 2/n.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 12 / 72
Erdos-Renyi ランダムグラフの相転移 III
1 p(n) = log n/n: 連結性に対する閾値関数.つまり,
PG(n,p(n))(G は連結である) →0 p(n) = log n−ω(n)
n
1 p(n) = log n+ω(n)n
ただし,ω(n) は n → ∞ で発散する任意の数列.
Figure: G (n, log n/n) for n = 100.
p(n) = (1 + ϵ) log n/n:孤立点の個数 In の平均は
EIn = n(1− p(n))n−1
≈ ne−np(n) = n−ϵ.
p(n) = (log n + c)/n:孤立点の個数 In に対するポアソンの少数法則.
β0 ≈ Ind⇒ Poisson(e−c).
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Linial-Meshulam 複体
Kn を n 点上の完全複体とする.Knの各 ℓ-単体 σ ∈ (Kn)ℓ を独立に確率 p で選んで集めた集合を Tとあらわす.
Y := (Kn)(ℓ−1)
︸ ︷︷ ︸(ℓ− 1)-完全スケルトン
* T︸︷︷︸ℓ 単体のランダム集合
はランダムな ℓ-次元複体を定める.このとき,Y ∼ Yℓ(n, p) とあらわし,ℓ-Linial-Meshulam 複体とよぶ.
例:(ℓ = 1).Y = (Kn)
(0)
︸ ︷︷ ︸n 個の孤立点
* T︸︷︷︸ランダム辺集合
例:(ℓ = 2).Y = (Kn)
(1)
︸ ︷︷ ︸n 点上の完全グラフ
* T︸︷︷︸ランダム 2-単体集合
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 14 / 72
Linial-Meshulam 複体
ℓ = 1: Y1(n, p) は Erdos-Renyi ランダムグラフ G (n, p).
Y ∼ Yℓ(n, p) とすると,
Hq(Y ) = 0 (q = 0, 1, . . . , ℓ− 2).
Y に関して βℓ−1(Y ) は単調減少,βℓ(Y ) は単調増加.つまり,Y ⊂ Y ′ ならば
βℓ−1(Y ) ≥ βℓ−1(Y′), βℓ(Y ) ≤ βℓ(Y
′).
さらに,βℓ−1(Y ) =
(n − 1
ℓ
)+ βℓ(Y )− fℓ(Y ).
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Linial-Meshulam 複体に対する連結性の Threshold
Yℓ(n, p): ℓ-Linial-Meshulam 複体.
(ℓ = 1) Erdos-Renyi (1960)
P(G (n, p) が連結) = P(H0(Y1(n, p)) = 0) →0 p = log n−ωn
n
1 p = log n+ωnn
(ℓ = 2, q = 2) Linial-Meshulam (2006),(ℓ ≥ 2, ∀q: 素数) Meshulam-Wallach (2009)
P(Hℓ−1(Yℓ(n, p),Zq) = 0) →0 p = ℓ log n−ωn
n
1 p = ℓ log n+ωnn
Hℓ−1(Yℓ(n, p),Z) = 0 に対する threshold についてはまだ未解決.Hoffman-Kahle-Paquette が部分的な結果を出している.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 16 / 72
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 17 / 72
点過程,フィルトレーション,パーシステントホモロジー
Input 1: 点クラウドデータと点過程
⇓ Cech or Rips-Vietoris 複体などを通して.Input 2: フィルトレーション = 単体複体の増加列
⇓Output: パーシステント図
!10 !5 0 5 10!10
!5
0
5
10Poisson
1
2
3
4
t!0
1
2
3
4
t!1
1
2
3
4
t!2
1
2
3
4
t!3
1
2
3
4
t!4
2 4 6 8
2
4
6
8
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 18 / 72
点過程,フィルトレーション,パーシステントホモロジー
Input 1: 点クラウドデータと点過程
⇓ Cech or Rips-Vietoris 複体などを通して.Input 2: フィルトレーション = 単体複体の増加列
⇓Output: パーシステント図
!10 !5 0 5 10!10
!5
0
5
10Poisson
1
2
3
4
t!0
1
2
3
4
t!1
1
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1
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1
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3
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2 4 6 8
2
4
6
8
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 19 / 72
Erdos-Renyi (1960)の論文から
In fact, the evolution of graphs can be seen as a rathersimplified model of the evolution of certain communication nets(railway, road or electoric network systems, etc.) of a country orsome other unit . . .. . . one could obtain fairly reasonable models of more complexreal growth processes (e.g. the growth of a complexcommunication net consisting of different connections, and evenof organic structures of living matter, etc.)
— On the evolution of random graphs, Erdos-Renyi (1960).
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スケールフリーネットワークn → ∞ の挙動を見る際に,p = p(n) として n に依存させて考える.
1 Watts-Strogatz (1998), Albert-Barabashi (1999):スケールフリーネットワーク, ネットワークトポロジーの研究.(i) scale free: 次数分布がべき分布 P(k) ∼ k−γ に近い.(ii) small world property: グラフの直径が小さい.(iii) cluster property: 各点の近傍グラフがクリークに近い.
Figure: Erdos-Renyi, Duncan-Watts, Albert-Barabashi
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 21 / 72
Coupling of Erdos-Renyi graphs
Figure: Independent samples from G (20, 0.07) and G (20, 0.1)
When p < p′,
E[β0(G (n, p))] ≥ E[β0(G (n, p′))] ??
Coupling of G (n, p) and G (n, p′) is constructed by using commonrandomness.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 22 / 72
Coupling of Erdos-Renyi graphs
Figure: Coupling of G (20, 0.07) and G (20, 0.1)
When p < p′,β0(G (n, p)) ≥ β0(G (n, p′))
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 23 / 72
Erdos-Renyi graph process
For each edge e ∈ En of the complete graph Kn = (Vn,En), we assignuniform random variable t(e) from [0, 1]. Take a sublevel set oft : En → [0, 1]:
X (p) := Vn * e ∈ En : t(e) ≤ p.
X (p)0≤p≤1 is called Erdos-Renyi random graph process.
Since X (p)0≤p≤1 is increasing︸ ︷︷ ︸
filtration
, β0(X (p)) is decreasing.
Figure: Erdos-Renyi graph process
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 24 / 72
Erdos-Renyi graph and ℓ-Linial-Meshulam complex process
Figure: Erdos-Renyi graph process (ℓ = 1)
Figure: 2-Linial-Meshulam process (ℓ = 2)
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 25 / 72
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 26 / 72
Minimum spanning tree (MST)
Let Kn = (Vn,En) be the complete graph with n vertices and for eachedge e ∈ En, a uniform r.v. t(e) on [0, 1] is assigned independently.Minimum spanning tree is the spanning tree T which minimizes theweight
wt(T ) =∑
e∈Tt(e), Wn := min
T∈Sn
wt(T ),
where Sn is the set of spanning trees in Kn. Remark that
|Sn| = nn−2
by Cayley’s theorem (1889).
0.1
0.5
0.3
0.4
0.2
0.6
0.1
0.5
0.3
0.4
0.2
0.6
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 27 / 72
Frieze’ result on MST
Theorem (Frieze, 1985)
As n → ∞,E[Wn] → ζ(3) = 1.20206 . . . .
Remark. 1) The weight distributioin is not necessarily uniform distribution.2) Kn can be replaced with other “balanced” graphs.3) Asympotic expansion is also studied(Cooper et al., 2012).
E[Wn] = ζ(3) +c1n
+c2 + o(1)
n4/3.
4) Minimum 1-matching in Kn,n is considered and the expected minimumweight converges to ζ(2) = π2/6 (Aldous, Mezard-Parisi).
Theorem (Janson, 1995)
(CLT) As n → ∞,
√n(Wn − ζ(3)) → N(0,σ2), σ2 = 6ζ(4)− 4ζ(3) = 1.68571....
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 28 / 72
A generalization of the problem of MST
The purpose of the first part of this talk is to extend Frieze’s result tohigher dimensional objects.
(random weighted) graph =⇒ (random weighted) simplicial complexspanning tree =⇒ spanning acycle
We can interpret the weight of the minimum spanning tree in termsof persistent homology.
Kruskal’s algorithm of finding MST =⇒ Erdos-Renyi graph process.
Figure: Erdos-Renyi random graph process for n = 6
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 29 / 72
Filtration
X = (X (t))t≥0: an increasing sequence of simplicial complexes.
1
2
3
4
t!0
1
2
3
4
t!1
1
2
3
4
t!2
1
2
3
4
t!3
1
2
3
4
t!4
1
2
3
4
t!5
.......
X (0) = 1, 2, 3, 4, 12, 23, T (1) = · · · = T (23) = 0,
X (1) = 1, 2, 3, 4, 12, 23, 14, 34 T (14) = T (34) = 1,
X (2) = 1, 2, 3, 4, 12, 23, 14, 34, 13 T (13) = 2,
X (3) = 1, 2, 3, 4, 12, 23, 14, 34, 13, 123 T (123) = 3,
X (4) = 1, 2, 3, 4, 12, 23, 14, 34, 13, 123, 134 T (134) = 4.
T (σ) denotes the birth time of σ.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 30 / 72
Persistent homology group (I)
ℓ-th chain group as a graded module on the polynomial ring F[x ]:
Cℓ(X) :=⊕
t≥0
Cℓ(X (t),F) = (ct)t≥0 : ct ∈ Cℓ(X (t),F)
with the right-shift actions
x s · (c0, c1, . . . ) := (0, . . . , 0︸ ︷︷ ︸s-times
, c0, c1, . . . )
Boundary operator ∂ℓ(x) : Cℓ(X) → Cℓ−1(X):
∂ℓ(x)⟨⟨v0v1 . . . vℓ⟩⟩ =ℓ∑
j=0
(−1)jxT(σ)−T(σj)⟨⟨v0v1 . . . vj−1vj+1 . . . vℓ⟩⟩.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 31 / 72
Matrix representation of boundary operator
1
2
3
4
t!0
1
2
3
4
t!1
1
2
3
4
t!2
1
2
3
4
t!3
1
2
3
4
t!4
1
2
3
4
t!5
.......
∂1(x) =
⎡
⎢⎢⎣
X0\X1 ⟨12⟩ ⟨13⟩ ⟨14⟩ ⟨23⟩ ⟨34⟩
⟨1⟩ −1 −x2 −x 0 0⟨2⟩ 1 0 0 −1 0⟨3⟩ 0 x2 0 1 −x⟨4⟩ 0 0 x 0 x
⎤
⎥⎥⎦, ∂2(x) =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
X1\X2 ⟨123⟩ ⟨134⟩
⟨12⟩ x3 0⟨13⟩ −x x2
⟨14⟩ 0 −x3
⟨23⟩ x3 0⟨34⟩ 0 x3
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦
Chain complex: we can see that ∂ℓ(x) ∂ℓ+1(x) = 0 and
· · · ∂ℓ+2(x)−→ Cℓ+1(X)∂ℓ+1(x)−→ Cℓ(X)
∂ℓ(x)−→Cℓ−1(X)∂ℓ−1(x)−→ · · ·
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 32 / 72
Persistent homology group (II)
Structure theorem for persistent homology for X = X (t)t≥0:
PHk(X) := Zk(X)/Bk(X) ∼=s⊕
i=1
(xbi )/(xdi )⊕s+r⊕
i=s+1
(xbi )
(xbi )/(xdi ) ⇐⇒ persistent interval [bi , di ) for an i-th homology classbi : birth time, di : death time, ℓi := di − bi : lifetime.
2 4 6 8
2
4
6
8
Figure: Persistencediagram
For simplicity, we suppose r = 0, i.e.,finite lifetimes.
The sum of lifetimes of k-dimensionalhomology classes:
Lk =s∑
i=1
ℓi.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 33 / 72
Persistent homology for random simplicial complex
deterministic
X = (X (t))t≥0 ⇒ k-th persistence diagram ⇒ the sum of lifetimes Lk
stochasticLet X = (X (t))t≥0 be an increasing stochastic process of simplicialcomplexes, e.g., the Erdos-Renyi graph process
X = (X (t))t≥0 =⇒ random k-th persistence diagram, k = 0, 1, 2, . . .
⇐⇒ point process ξ on ∆ = (x , y) ∈ R2 : x ≤ y=⇒ the sum of lifetimes Lk(ξ)
Observation
When X = (X (t))0≤t≤1 is the Erdos-Renyi graph process,
the lifetime sum L0(ξ) = the weight of MST
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 34 / 72
Spanning ℓ-acycle
Spanning tree T in the complete graph Kn satisfies the following:1 |T | = n − 1 =
(n−11
).
2 H0(T ) = 0 ⇐⇒ connected.3 H1(T ) = 0 ⇐⇒ no cycle.
DefinitionA subset T of ℓ-faces is a spanning ℓ-acycle in the ℓ-complete complex
K (ℓ)n over 1, 2, . . . , n if
1 |T | =(n−1
ℓ
).
2 Hℓ−1(XT ) = a finite group
3 Hℓ(XT ) = 0 ⇐⇒ no ℓ-dim. cycles.
XT = K (ℓ−1)n︸ ︷︷ ︸
(ℓ− 1)-complete skeleton
*T
This definition was given by G. Kalai(1983) as Q-acyclic simplicialcomplex.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 35 / 72
Example: Triangulation of the projective plane RP2
Facets: T = 124, 125, 135, 136, 146, 234, 236, 256, 345, 4561 |T | =
(6−12
)= 10.
2 H1(XT ) = Z2.3 H2(XT ) = 0 ⇐⇒ no 2-dim. cycles.
1 2
3
12
3
4
5
6
Figure: A triangulation of RP2. (|V | = 6, |E | = 15, |F | = 10)
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 36 / 72
Extension of Cayley’s theorem
Theorem (Kalai ’83)
Let S(ℓ)n be the set of spanning ℓ-acycle with (ℓ− 1)-complete skeleton on
n-vertices. Then, ∑
T∈S(ℓ)n
|Hℓ−1(T )|2 = n(n−2ℓ ).
For ℓ = 2, since H1(T ) is trivial for n = 4, 5,
|S(2)4 | = 4(
4−22 ) = 4, |S(2)
5 | = 5(5−22 ) = 125
For ℓ = 2 and n = 6, since H1(T ) ∼= Z2 for 12 spanning 2-acycles,
|S(2)6 | = 46620 = 6(
6−22 ) = 66 = 46656
Such a 2-complex is a triangulation of the projective plane as seenbefore.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 37 / 72
Determinantal formula
X : a simplicial complex with Hℓ−2(X (ℓ−1)) = 0.
L: an (ℓ− 1)-acycle, S : ℓ-faces with |S | = |K |.
∂ℓ =
[Xℓ−1\Xℓ Xℓ
K ∂KL ∗
]=
[Xℓ−1\Xℓ S Sc
K ∂KS ∗L ∗ ∗
]
det ∂KS = 0 iff S is an ℓ-acycle.
Proposition (Matrix-Tree type theorem)
Let L ∈ S(ℓ−1) and set K = Xℓ−1 \ L. Then,
det(∂K∂TK ) =
∑
S∈S(ℓ)
(det ∂KS)2 =
∑
S∈S(ℓ)
|Hℓ−1(XS)|2
When ℓ = 1, |Hℓ−1(XS)| = 1, this gives us det(∂K∂TK ) = |S(1)|.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 38 / 72
ℓ-Linial-Meshulam process
[n] = 1, 2, . . . , nFℓ :=
( [n]ℓ+1
): the set of ℓ-faces or (ℓ+ 1)-subsets of [n].
t(σ) : σ ∈ Fℓ: i.i.d. uniform r.v.’s on [0, 1]: birth times.
Y (ℓ)(t) = K (ℓ−1)n︸ ︷︷ ︸
(ℓ− 1)-complete skeleton
* σ ∈ Fℓ : t(σ) ≤ t︸ ︷︷ ︸ℓ-faces born before t
.
(ℓ = 1) Y (1)(t) is the Erdos-Renyi graph process (Y (1)(t)d= G (n, t)).
(ℓ = 2) Y (2)(t) starts from Kn at time 0, a 2-face is attached atrandom birth time, and ends up with the complete 2-skeleton.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 39 / 72
Sum of lifetimes of homology classes
(ℓi )i = di − bi : lifetimes.
Lℓ−1 :=∑
i ℓi
2 4 6 8
2
4
6
8
Theorem (Hiraoka-S. (’17))
1 Let βℓ−1(t) be the reduced Betti number at time t. Then,
Lℓ−1 =
∫ ∞
0βℓ−1(t)dt.
2 Let T (ℓ)min be the minimum spanning ℓ-acycle. Then,
Lℓ−1 = wt(T (ℓ)min)− wt(Xℓ−1 \ T
(ℓ−1)min ),
Remark: The second term in the second does not appear for the LM pr.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 40 / 72
Exact computation
Let T (X ; x , y) be a generalization of Tutte polynomial for X defined by
T (X ; x , y) =∑
F⊂Xℓ
(x − 1)βℓ−1(XF )(y − 1)βℓ(XF ), (1)
where XF = X (ℓ−1) * F and the sum is taken over all ℓ-faces.
Proposition (Hiraoka-S (’17))
Let T be as in (1). For the ℓ-Linial-Meshulam process over n vertices,
E[Lℓ−1(n)] = E[ minT∈S(ℓ)
n
wt(T )] =
∫ 1
0
1− t
t
Tx(K(ℓ)n ; 1t ,
11−t )
T (K (ℓ)n ; 1t ,
11−t )
dt.
Remark: for ℓ = 1, this is proved by J.M.Steele.Exact values: for ℓ = 2
n 4 5 6 7 8E[L1(n)] 6/5 1817/924 5337295/1939938 ?? ??
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 41 / 72
Asymptotic result
Theorem (Hiraoka-S. (’17))
Let Lℓ−1(n) be the lifetime sum of (ℓ− 1)-st persistent homology for theℓ-Linial-Meshulam process on n vertices,
E[Lℓ−1(n)] = E[ minT∈S(ℓ)(n)
wt(T )] = O(nℓ−1)
as n → ∞, where wt(T ) :=∑
σ∈T t(σ).
See Random Structures and Algorithms 51 (2017), 315–340.
Lower bound: Use a representation for minimum spanning acycle.
Upper bound: Use a Kruskal-Katona type result (by Linial et al.) to
E[Lℓ−1(n)] =
∫ 1
0βℓ−1(t)dt.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 42 / 72
Betti number β1(Y (2)(t)) in the case ℓ = 2
β1(Y(2)(0)) = β1(Kn) =
(n − 1
2
) 0 = β1(Y
(2)(1))
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
20
40
60
80
Figure: β1(Y (2)(t)) for 2-Linial-Meshulam process when n = 15.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 43 / 72
Limiting values Iℓ−1
For ℓ = 1, let t∗ℓ = 1.For ℓ ≥ 2, let t∗ℓ be the unique root in (0, 1) of the equation(ℓ+ 1)(1− t)− (1 + ℓt) log t = 0.
Conjecture (Hiraoka-S (’17))
Iℓ−1 := limn→∞
E[Lℓ−1(n)]
nℓ−1=
1
2ℓ!
(∫ t∗ℓ
0
(log s)2
(1− s)ℓds +
ℓ+ 1
(1− t∗ℓ )ℓ−3(1 + ℓt∗ℓ )
2
).
When ℓ = 1,
I0 =1
2
∫ 1
0
(log s)2
1− sds = ζ(3).
Theorem (Kanazawa-Hino)
For ∀p ∈ [1,∞), Lℓ−1 → Iℓ−1 in Lp as n → ∞.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 44 / 72
Clique (Flag) complex process
The clique complex Cl(G ) associated with a graph G is the maximalsimplicial complex having G as a 1-dimensional skeleton.X (1)(t): Erdos-Renyi graph process
C(t) = Cl(X (1)(t)), 0 ≤ t ≤ 1,
The process starts from the 0-skeleton, i.e., n isolated vertices, andends up with ∆n−1. Namely,
∆(0)n−1 = C(0) ⊂ C(t) ⊂ C(1) = ∆n−1.
The main difference from the Linial-Meshulam case is absence ofmonotonicity of Betti numbers.
Figure: Clique complex process on 5-vertices
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 45 / 72
Persistence diagram
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
50
100
150
200
250
300
350
400
birth
death
pd1_1000_40
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Figure: Persistence diagram for Erdos-Renyi clique complex n = 40白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 46 / 72
Lifetime sum fo clique complex process
Proposition (Hiraoka-S (’17))
Let Lℓ−1(n) be the lifetime sum for the clique complex process onn-vertices. Then, for ℓ = 1, 2,
cnℓ−1 ≤ E[Lℓ−1(n)] ≤ Cnℓ−1 log n
and for ℓ ≥ 3,
cn(ℓ+2)(ℓ−1)
2ℓ ≤ E[Lℓ−1(n)] ≤ Cnℓ−1
Recently, the following was shown.
Theorem (Kanazawa-Hino)
As n → ∞,
E[Lℓ−1(n)] = Θ(n(ℓ+2)(ℓ−1)
2ℓ ) (ℓ = 1, 2, . . . )
♠ Limiting constant is yet to be obtained.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 47 / 72
1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 48 / 72
点過程,フィルトレーション,パーシステントホモロジー
Input 1: 点クラウドデータと点過程⇓ Cech or Rips-Vietoris 複体などを通して.
Input 2: フィルトレーション = 単体複体の増加列⇓
Output: パーシステント図
!10 !5 0 5 10!10
!5
0
5
10Poisson
1
2
3
4
t!0
1
2
3
4
t!1
1
2
3
4
t!2
1
2
3
4
t!3
1
2
3
4
t!4
2 4 6 8
2
4
6
8
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 49 / 72
Atomic configuration of SiO2
05
1015
2025
05
1015
20250
5
10
15
20
25
30
05
1015
2025
05
1015
20250
5
10
15
20
25
30
!10!5
05
1015
!5
0
5
10!15
!10
!5
0
5
10
Atomic Configuration of SiO2
liquid
glass
crystal
Note: they are obtained by MD simulations
Figure: T. Nakamura, Y. Hiraoka, A. Hirata, et al. PNAS 2016
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 50 / 72
1-dim. Persistence diagram
1-dim Persistence diagrams of SiO2
liquid
glass
crystal
Figure: T. Nakamura, Y. Hiraoka, A. Hirata, et al. PNAS 2016
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 51 / 72
Point clouds and point processes
Two types of random points are mainly considered.1 Binomial process: Xii : i.i.d. random variables.
Xn := X1, . . . ,Xn2 Point process: random point configuration over Rd .
Conf(Rd) = Φ =∑
i
δxi : xi ∈ Rd ,Φ(K ) < ∞ if K is cpt.
Figure: Binomial model
!10 !5 0 5 10!10
!5
0
5
10
Poisson
!10 !5 0 5 10!10
!5
0
5
10
Ginibre
Figure: Point processes
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 52 / 72
Topology of binomial processes on manifolds
Bobrowski-Oliviera: Let M be d-dimensional compact Riemannianmanifold. For 1 ≤ q ≤ d − 1,
limn→∞
P(Hq(C(n, r)) ≃ Hq(M))
=
1 Λ = log n + q log log n + ω(n),
0 Λ = log n + (q − 2) log log n − ω(n),
where ω(n) → ∞ and Λ = nωd rdn .
Goel-Trinh-Tsunoda: Law of large numbers of Betti numbers forbinomial processes on compact Riemannian manifolds.
Trinh: Central limit theorem for Betti numbers on binomial andPoisson point processes.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 53 / 72
Geometric graph G (X, r)Let X = x1, . . . , xn ⊂ Rd be a point configuration (collection of points).
Figure: Geometric graph G (X , r) for a point configuration X
xy ∈ Edge[G (X , r)] ⇐⇒ d(x , y) ≤ r (x = y)
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 54 / 72
Filtration of geometric graphs
Figure: Geometric graph G (X , r): |X | = 100
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 55 / 72
Geometric graph and Boolean model
Figure: Geometric graph and union of balls (a realization of Boolean model)
xy ∈ Edge[G (X , r)] ⇐⇒ d(x , y) ≤ r ⇐⇒ Br/2(x) ∩ Br/2(y) = ∅
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 56 / 72
Point configuration to simplicial complex and filtration
Cech complex XC (r)
xi0 , xi1 , . . . , xik ∈ XC (r) ⇐⇒k⋂
p=0
B(xip , r) = ∅.
Rips-Vietoris complex XR(r)
xi0 , xi1 , . . . , xik ∈ XR(r) ⇐⇒ B(xip , r) ∩ B(xiq , r) = ∅ for any p = q.
Figure: Rips-Vietoris complex
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 57 / 72
κ-complex
Function κ (birth time of simplices): Let F(Rd) be the set of all finitesubsets in Rd equipped with Hausdorff metric.
1 κ : F(Rd) → [0,∞) is continuous.2 κ is shift-invariant, i.e., κ(σ + a) = κ(σ) for every σ ∈ F(Rd) and
a ∈ Rd .3 If τ ⊂ σ then κ(τ) ≤ κ(σ).4 There exists an increasing function ρ : [0,∞) → [0,∞) such that
|x − y | ≤ ρ(κ(x , y)) (∀x , y ∈ Rd).
κ-complex and κ-filtration: Fix κ. For X ∈ F(Rd), we define theκ-complex over X by
K (X , t) := σ ⊂ X : κ(σ) ≤ t
and the κ-filtration by
K(X ) := K (X , t), t ≥ 0.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 58 / 72
Examples
Examples:(1) Rips-complex
κ(x1, . . . , xp) :=1
2max
1≤i<j≤p|xi − xj |
(2)Cech-complex
κ(x1, . . . , xp) := infw∈Rd
max1≤i≤p
|xi − w |
Remark that both κ’s are 1-Lipshitz continuous with respect toHausdorff metric on F(Rd).
dH(X ,Y ) = max(maxx∈X
d(x ,Y ),maxy∈Y
d(X , y))
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 59 / 72
Stability (continuity) of persistence diagrams
Stability Theorem (Hiraoka-S-Trinh (’17+))
Let Xκ(X ) be the κ-filtration of X ∈ F(Rd) and ξq(X ) the q-thpersitence diagram for Xκ(X ). If κ : F(Rd) → [0,∞] is γ-Lipshitzcontinuous with respect to dH , then
dB(ξq(X ), ξq(X ′)) ≤ γdH(X ,X ′),
where dB is the ℓ∞ bottleneck distance on F(∆).
Remark: This type of stabilitytheorem is first shown for theCech -filtration by Cohen-Steiner-Edelsbrunner-Harer.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 60 / 72
Window and persistence diagram
Let Φ be a stationary point process and Φ|ΛL be its restriction to ΛL,where ΛL = [−L/2, L/2)d is a window.The q-th persistence diagram for Φ|ΛL is denoted by ξq,L as a pointprocess on ∆ = (b, d) : 0 ≤ b < d ≤ ∞.
Figure: Poisson point process on R2 with windows of size L = 20, 20√10, 200
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 61 / 72
Law of large numbers
Let Φ be a stationary point process and Φ|ΛL be its restriction to ΛL,where ΛL = [−L/2, L/2)d is a window.The q-th persistence diagram for Φ|ΛL is denoted by ξq,L as a pointprocess on ∆ = (b, d) : 0 ≤ b < d ≤ ∞.
Theorem (Hiraoka-S-Trinh (’17+))
Let Φ be a stationary ergodic point process on Rd having all finitemoments. Then, for each q ∈ Z≥0,
1
Ldξq,L
v→ νq a.s.
where νq is non-random.白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 62 / 72
Known result
Theorem (Yogeshwaran-Subag-Adler (’15))
Assume that Φ is a stationary ergodic point process having all finitemoments. Then, for each r > 0 there exists a constant βq(r) such that
1
Ldβq(X (r)) → βq(r) a.s.
as L → ∞.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 63 / 72
Realizable points
Let∆ = (b, d) : 0 ≤ b < d ≤ ∞
A point (b, d) ∈ ∆ is a realizable point if there exists X ∈ F(Rd)such that (b, d) ∈ ξq(X ).
Example. (b, d) = (5, 10) when q = 1.
Figure: the set ∪x∈XBr (x) is drawn for r = 0, 1, 2, 5, 8, 10. A cycle appearsat r = 5 and disappears at r = 10.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 64 / 72
Realizable point and configuration
We denote by Rq(κ) the set of all realizable points in the qthpersistent homology of the κ-filtration.
If κ is homogeneous in the sense that κ(ασ) = ακ(σ) for everyα > 0 and σ ∈ F(Rd), then Rq(κ) forms a cone in ∆.
Example: Both κC and κR are homogeneous and hence Rq(κC ) andRq(κR) are cones for every q ≥ 0.
For the Cech complex,
Rq(κC ) =
⎧⎪⎨
⎪⎩
0× (0,∞], if q = 0,
∆int , if q = 1, 2, . . . , d − 1,
∅, if q = d , d + 1, . . . .
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 65 / 72
Support of νq
For every compact set Λ ⊂ Rd , the restriction of Π on Λ can beconsidered as a probability measure on
Conf (Λ) ≃∞⋃
n=0
Λn/ ∼
The restriction Φ|Λ can be considered as a finite point process.
Theorem (Hiraoka-S-Trinh (’17+))
Let Φ be a stationary ergodic point process on Rd having all finitemoments. On each Λn, the distribution of Φ has a density function. Then,for every q ∈ Z≥0,
suppνq = Rq(κ) (∀q ≥ 1).
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 66 / 72
Examples
Examples
Φ: Poisson, Ginibre, the zeros of random analytic function etc...,Cech -complex built over a point process Φ,
suppνq = ∆ (q = 1, 2, . . . , d − 1)
0 50 1000
50
100100
50
00 50 100
100
50
00 50 100
100
50
00 50 100
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1 イントロ
2 ランダムグラフとランダム複体
3 ランダム複体過程とフィルトレーション
4 ランダム複体過程,最小全域非輪体,パーシステントホモロジー
5 ランダム点過程とパーシステントホモロジー
6 関連した話題
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 68 / 72
Maximally persistent cycle
Maximally persistent cycle: a cycle corresponding to (bmax, dmax)s.t. dmax/bmax = maxd/b : (b, d) ∈ ξq.
Theorem (Bobrowski-Kahle-Skraba (’16))
Let Pn be a Poisson point process on [0, 1]d and consider Rips-Vietoris orCech filtration. For q = 1, 2, . . . , d − 1,
dmax
bmax≍(
log n
log log n
)1/q
w .h.p.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 69 / 72
Large torsions of spanning acycles
Example: V = Z31 and E =(V2
)and
T =x , y , z ∈
(V
3
): x + y + z ∈ 1, 2, 9 mod 31
|T | =(31−1
2
)= 435 and XT = V * E * T forms a spanning 2-acycle.
The order of the torsion is
|H1(XT )| = 16844675348856829290625
= 5× 311× 683× 1117× 11657× 1948909.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 70 / 72
Uniform sampling from spanning acycles
Kalai(’83) showed the following: for fixed ℓ ≥ 2,
(Upper bound)
|Hℓ−1(XT )|2 ≤ (ℓ+ 1)(n−2ℓ ).
(Lower bound) For sufficiently large n,
E|Hℓ−1(XT )|2 >(ℓ+ 1
2.8
)(n−2ℓ )
,
where T is sampled uniformly from the set of spanning ℓ-acycles S(ℓ)n .
ProblemHow does the distribution of torsions look like as n → ∞?
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 71 / 72
Further directions
多様体学習や機械学習.種々のデータのパーシステント図の極限定理 (大数の法則,中心極限定理など)
ランダム場のパーシステントホモロジー.時系列や粒子の時間発展のパーシステントホモロジー論.Linial-Meshulam複体やクリーク複体の臨界点近くでの詳しい解析.極限パーシステント図の具体的な表示.大きい捻れ群の分布.極大パーシステントサイクルの幾何的な性質・極限定理.
白井朋之 (九州大学 IMI) 確率論とパーシステントホモロジー Dec. 23, 2017 72 / 72