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Learning heat diffusion graphs

Résumé

Effective information analysis generally boils down to properly identifying the structure or geometry of the data, which is often represented by a graph. In some applications, this structure may be partly determined by design constraints or pre-determined sensing arrangements, like in road transportation networks for example. In general though, the data structure is not readily available and becomes pretty difficult to define. In particular, the global smoothness assumptions, that most of the existing works adopt, are often too general and unable to properly capture localized properties of data. In this paper, we go beyond this classical data model and rather propose to represent information as a sparse combination of localized functions that live on a data structure represented by a graph. Based on this model, we focus on the problem of inferring the connectivity that best explains the data samples at different vertices of a graph that is a priori unknown. We concentrate on the case where the observed data is actually the sum of heat diffusion processes, which is a quite common model for data on networks or other irregular structures. We cast a new graph learning problem and solve it with an efficient nonconvex optimization algorithm. Experiments on both synthetic and real world data finally illustrate the benefits of the proposed graph learning framework and confirm that the data structure can be efficiently learned from data observations only. We believe that our algorithm will help solving key questions in diverse application domains such as social and biological network analysis where it is crucial to unveil proper geometry for data understanding and inference.

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Structure de données
En informatique, une structure de données est une manière d'organiser les données pour les traiter plus facilement. Une structure de données est une mise en œuvre concrète d'un type abstrait. Pour prendre un exemple de la vie quotidienne, on peut présenter des numéros de téléphone par département, par nom, par profession (comme les Pages jaunes), par numéro téléphonique (comme les annuaires destinés au télémarketing), par rue et/ou une combinaison quelconque de ces classements.
Implicit data structure
In computer science, an implicit data structure or space-efficient data structure is a data structure that stores very little information other than the main or required data: a data structure that requires low overhead. They are called "implicit" because the position of the elements carries meaning and relationship between elements; this is contrasted with the use of pointers to give an explicit relationship between elements. Definitions of "low overhead" vary, but generally means constant overhead; in big O notation, O(1) overhead.
Théorie des graphes
vignette|Un tracé de graphe. La théorie des graphes est la discipline mathématique et informatique qui étudie les graphes, lesquels sont des modèles abstraits de dessins de réseaux reliant des objets. Ces modèles sont constitués par la donnée de sommets (aussi appelés nœuds ou points, en référence aux polyèdres), et d'arêtes (aussi appelées liens ou lignes) entre ces sommets ; ces arêtes sont parfois non symétriques (les graphes sont alors dits orientés) et sont alors appelées des flèches ou des arcs.
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