Matrix factorizations in dual number algebra, a hypercomplex system, have been applied to kinematics, mechanisms, and other fields recently. We develop an approach to identify spatiotemporal patterns in the brain such as traveling waves using the singular value decomposition of dual matrices in this paper. Theoretically, we propose the compact dual singular value decomposition (CDSVD) of dual complex matrices with explicit expressions as well as a necessary and sufficient condition for its existence. Furthermore, based on the CDSVD, we report on the optimal solution to the best rank-$k$ approximation under a newly defined quasi-metric in the dual complex number system. The CDSVD is also related to the dual Moore-Penrose generalized inverse. Numerically, comparisons with other available algorithms are conducted, which indicate less computational costs of our proposed CDSVD. In addition, the infinitesimal part of the CDSVD can identify the true rank of the original matrix from the noise-added matrix, but the classical SVD cannot. Next, we employ experiments on simulated time-series data and a road monitoring video to demonstrate the beneficial effect of the infinitesimal parts of dual matrices in spatiotemporal pattern identification. Finally, we apply this approach to the large-scale brain fMRI data, identify three kinds of traveling waves, and further validate the consistency between our analytical results and the current knowledge of cerebral cortex function.


翻译:对偶数代数作为一种超复数系统,其矩阵分解方法已应用于运动学、机构学等领域。本文基于对偶矩阵的奇异值分解,提出一种识别脑部时空模式(如行波)的方法。理论上,我们给出了具有显式表达式的对偶复矩阵紧奇异值分解(CDSVD)及其存在的充要条件。此外,基于CDSVD,我们在对偶复数系中新定义的拟度量下,报告了最佳秩-$k$近似的最优解。CDSVD还与对偶Moore-Penrose广义逆相关。数值上,与其他现有算法的对比表明,我们提出的CDSVD计算成本更低。同时,CDSVD的无穷小部分可从含噪矩阵中识别原始矩阵的真实秩,而经典SVD无法做到。接着,我们通过模拟时间序列数据和道路监控视频实验,验证了对偶矩阵无穷小部分在时空模式识别中的有益作用。最后,我们将该方法应用于大规模脑功能磁共振成像(fMRI)数据,识别出三种行波,并进一步验证了分析结果与当前大脑皮层功能认知的一致性。

0
下载
关闭预览

相关内容

奇异值分解(Singular Value Decomposition)是线性代数中一种重要的矩阵分解,奇异值分解则是特征分解在任意矩阵上的推广。在信号处理、统计学等领域有重要应用。
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17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
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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 · 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
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
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月13日
VIP会员
最新内容
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
专知会员服务
4+阅读 · 今天15:21
锻造未来士兵:外骨骼、基因工程与赛博格
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:12
《无人机蜂群通信技术研究》50页
专知会员服务
4+阅读 · 今天14:55
战力倍增器:自主武器系统与乌克兰及加沙冲突
人工智能赋能战场情报:提速决策进程
专知会员服务
3+阅读 · 7月17日
《拥抱新兴技术:面向未来军官的教育革新》
专知会员服务
7+阅读 · 7月17日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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 · 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
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
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