In a system of many similar self-propelled entities such as flocks of birds, fish school, cells and molecules, the interactions with neighbors can lead to a "coherent state", meaning the formation of visually compelling aggregation patterns due to the local adjustment of speed and direction. In this study, we explore one of the open questions that arise in studying collective patterns. When such entities, considered here as particles, tend to assume a coherent state beginning from an incoherent (random) state, what is the time interval for the transition? Also, how do model parameters affect this transition time interval? Given the observations of particle migration over a given time period as a point cloud data sampled at discrete time points, we use Topological Data Analysis, specifically persistent homology, to infer the transition time interval in which the particles undergo regime change. The topology of the particle configuration at any given time instance is captured by the persistent homology specifically Persistence Landscapes. We localize (in time) when such a transition happens by conducting the statistical significance tests namely functional hypothesis tests on persistent homology outputs corresponding to subsets of the time evolution. This process is validated on a known collective behavior model of the self-propelled particles with the regime transitions triggered by changing the model parameters in time. As an application, the developed technique was ultimately used to describe the transition in cellular movement from a disordered state to collective motion when the environment was altered.


翻译:在众多相似自推进实体(如鸟群、鱼群、细胞和分子)组成的系统中,个体与邻居的相互作用可导致“相干态”,即因速度和方向的局部调整而形成视觉上引人注目的聚集模式。本研究探讨集体模式研究中的一个开放性问题:当此类被视为粒子的实体从无序(随机)状态趋向相干态时,转变的时间间隔是多少?此外,模型参数如何影响这一转变时间间隔?基于给定时间段内粒子运动的离散时间点采样点云数据,我们利用拓扑数据分析(特别是持续同调)推断粒子发生状态转变的时间间隔。通过持续同调(具体为持续景观)捕捉任意时刻粒子构型的拓扑特征。我们通过对时间演化子集对应的持续同调输出进行统计显著性检验(即函数假设检验),定位(在时间上)此类转变发生的时刻。该过程在已知的自推进粒子集体行为模型上得到验证,其中通过随时间改变模型参数触发状态转变。作为应用,所开发的技术最终用于描述环境改变时细胞运动从无序态向集体运动的转变。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+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
0+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
6+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
Arxiv
16+阅读 · 2022年5月17日
Recent advances in deep learning theory
Arxiv
52+阅读 · 2020年12月20日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
Optimization for deep learning: theory and algorithms
Arxiv
106+阅读 · 2019年12月19日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 6月17日
相关资讯
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+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
0+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
6+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