Given an unknown $\mathbb{R}^n$-valued function $f$ on a metric space $X$, can we approximate the persistent homology of $f$ from a finite sampling of $X$ with known pairwise distances and function values? This question has been answered in the case $n=1$, assuming $f$ is Lipschitz continuous and $X$ is a sufficiently regular geodesic metric space, and using filtered geometric complexes with fixed scale parameter for the approximation. In this paper we answer the question for arbitrary $n$, under similar assumptions and using function-geometric multifiltrations. Our analysis offers a different view on these multifiltrations by focusing on their approximation properties rather than on their stability properties. We also leverage the multiparameter setting to provide insight into the influence of the scale parameter, whose choice is central to this type of approach. From a practical standpoint, we show that our approximation results are robust to input noise, and that function-geometric multifiltrations have good statistical convergence properties. We also provide an algorithm to compute our estimators, and we use its implementation to conduct extensive experiments, on both synthetic and real biological data, in order to validate our theoretical results and to assess the practicality of our approach.


翻译:给定度量空间$X$上一个未知的$\mathbb{R}^n$值函数$f$,我们能否通过$X$的有限采样(已知成对距离和函数值)来逼近$f$的持续同调?该问题在$n=1$的情形下已得到解决,其假设$f$为利普希茨连续且$X$是充分正则的测地度量空间,并采用具有固定尺度参数的滤过几何复形进行逼近。本文在类似假设下,利用函数几何多重滤过对任意$n$的情形给出了肯定回答。我们的分析通过聚焦于这类多重滤过的逼近性质而非稳定性性质,为其提供了新的视角。同时,我们借助多参数设置深入探讨了尺度参数的影响——该参数的选择是此类方法的核心。从实践角度,我们证明了逼近结果对输入噪声具有鲁棒性,且函数几何多重滤过具备良好的统计收敛性质。我们还提出了计算估计量的算法,并通过其实现在合成数据与真实生物数据上开展了大量实验,以验证理论结果并评估该方法的实用性。

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