Many real-world datasets live on high-dimensional Stiefel and Grassmannian manifolds, $V_k(\mathbb{R}^N)$ and $Gr(k, \mathbb{R}^N)$ respectively, and benefit from projection onto lower-dimensional Stiefel (respectively, Grassmannian) manifolds. In this work, we propose an algorithm called Principal Stiefel Coordinates (PSC) to reduce data dimensionality from $ V_k(\mathbb{R}^N)$ to $V_k(\mathbb{R}^n)$ in an $O(k)$-equivariant manner ($k \leq n \ll N$). We begin by observing that each element $\alpha \in V_n(\mathbb{R}^N)$ defines an isometric embedding of $V_k(\mathbb{R}^n)$ into $V_k(\mathbb{R}^N)$. Next, we optimize for such an embedding map that minimizes data fit error by warm-starting with the output of principal component analysis (PCA) and applying gradient descent. Then, we define a continuous and $O(k)$-equivariant map $\pi_\alpha$ that acts as a ``closest point operator'' to project the data onto the image of $V_k(\mathbb{R}^n)$ in $V_k(\mathbb{R}^N)$ under the embedding determined by $\alpha$, while minimizing distortion. Because this dimensionality reduction is $O(k)$-equivariant, these results extend to Grassmannian manifolds as well. Lastly, we show that the PCA output globally minimizes projection error in a noiseless setting, but that our algorithm achieves a meaningfully different and improved outcome when the data does not lie exactly on the image of a linearly embedded lower-dimensional Stiefel manifold as above. Multiple numerical experiments using synthetic and real-world data are performed.


翻译:许多真实世界的数据集存在于高维施蒂弗尔流形$V_k(\mathbb{R}^N)$和格拉斯曼流形$Gr(k, \mathbb{R}^N)$上,并且受益于投影到低维施蒂弗尔(或格拉斯曼)流形。本文提出一种名为主施蒂弗尔坐标(PSC)的算法,以$O(k)$-等变方式($k \leq n \ll N$)将数据维度从$V_k(\mathbb{R}^N)$降低至$V_k(\mathbb{R}^n)$。我们首先观察到,每个元素$\alpha \in V_n(\mathbb{R}^N)$定义了从$V_k(\mathbb{R}^n)$到$V_k(\mathbb{R}^N)$的等距嵌入。接着,我们通过以主成分分析(PCA)输出作为热启动并应用梯度下降,优化使得数据拟合误差最小化的嵌入映射。然后,我们定义一个连续且$O(k)$-等变的映射$\pi_\alpha$,它充当"最近点算子",在由$\alpha$确定的嵌入下,将数据投影到$V_k(\mathbb{R}^n)$在$V_k(\mathbb{R}^N)$中的像上,同时最小化失真。由于这种降维是$O(k)$-等变的,这些结果也适用于格拉斯曼流形。最后,我们证明在无噪声场景下PCA输出全局最小化投影误差,但当数据不完全位于线性嵌入的低维施蒂弗尔流形像上时,我们的算法取得有意义的差异化和改进结果。使用合成数据和真实数据进行了多项数值实验。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
33+阅读 · 2021年3月7日
【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
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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 · 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
2+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月2日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月2日
VIP会员
最新内容
《通过小型无人机系统将情报能力“作战化”》
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:28
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
7+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
9+阅读 · 6月14日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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 · 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
2+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员