Spectral graph signal processing is traditionally built on self-adjoint Laplacians, where orthogonal eigenbases yield an energy-preserving Fourier transform and a variational frequency ordering via a real Dirichlet form. Directed networks break self-adjointness: the combinatorial directed Laplacian $L=D_{\mathrm{out}}-A$ is generally non-normal, so eigenvectors are non-orthogonal and classical Parseval identities and Rayleigh-quotient orderings do not apply. This paper develops a Laplacian-centric harmonic analysis for directed graphs that remains exact at the algebraic level while explicitly quantifying the geometric distortion induced by non-normality. We (i) define a Biorthogonal Graph Fourier Transform (BGFT) for $L$ using dual left/right eigenbases and show that vertex energy equals a Gram-metric quadratic form in BGFT coordinates, (ii) introduce a directed variational semi-norm $TV_{\mathcal{G}}(x)=\|Lx\|_2^2$ and prove sharp two-sided BGFT-domain bounds controlled by singular values of the eigenvector matrix, and (iii) derive sampling and reconstruction guarantees with explicit stability constants that separate sampling-set informativeness from eigenvector geometry. Finally, we provide reproducible simulations comparing a normal directed cycle to perturbed non-normal digraphs and show that filtering and reconstruction robustness track $κ(V)$ and the Henrici departure-from-normality $Δ(L)$, validating the theoretical predictions.


翻译:传统谱图信号处理建立在自伴拉普拉斯算子的基础上,其正交特征基可产生能量守恒的傅里叶变换,并通过实狄利克雷形式实现变分频率排序。定向网络破坏了自伴性:组合有向拉普拉斯算子$L=D_{\mathrm{out}}-A$通常是非正规的,因此特征向量非正交,经典帕塞瓦尔恒等式和瑞利商排序不再适用。本文为有向图发展了一套以拉普拉斯算子为核心的调和分析框架,该框架在代数层面保持精确性,同时显式量化由非正规性引起的几何畸变。我们(i)利用左右对偶特征基为$L$定义双正交图傅里叶变换(BGFT),并证明顶点能量等于BGFT坐标下的格拉姆度量二次型;(ii)引入有向变分半范数$TV_{\mathcal{G}}(x)=\|Lx\|_2^2$,并证明由特征向量矩阵奇异值控制的严格双向BGFT域边界;(iii)推导具有显式稳定性常数的采样与重构保证,将采样集信息量与特征向量几何结构分离。最后,我们通过可重复仿真比较正规有向环与扰动非正规有向图,证明滤波与重构鲁棒性跟踪$κ(V)$和亨里西非正规性度量$Δ(L)$,验证了理论预测。

0
下载
关闭预览

相关内容

图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
详解GAN的谱归一化(Spectral Normalization)
PaperWeekly
11+阅读 · 2019年2月13日
数据分析师应该知道的16种回归技术:Lasso回归
数萃大数据
16+阅读 · 2018年8月13日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
10+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员