TheHiddenTopology$ of$aNoisyPointCloud · Seminario3-Parte2-20140113.pptx Author: Andrea Pedrini...

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The Hidden Topology of a Noisy Point Cloud (Part II) A cri&cal reading of “Geometric Inference for Probability Measures” by Chazal, Steiner & Merigot, 2011. A. Pedrini, M. Piastra

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The  Hidden  Topology  of  a  Noisy  Point  Cloud  

(Part  II)    A  cri&cal  reading  of  

“Geometric  Inference  for  Probability  Measures”  by  Chazal,  Steiner  &  Merigot,  2011.  

 A.  Pedrini,  M.  Piastra  

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The hidden topology of a noisy point cloud 2

Generalizing: distance-like •  A  func2on                                                  is  distance-­‐like  if      

1)     

2)     

3)                             is  semi-­‐concave,  that  is                                                                                        is  concave      (this  is  the  crucial  property)  

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The hidden topology of a noisy point cloud 3

Concavity •  A  func2on                                                    is  concave  if  

 for  any                                            and  any                                          

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The hidden topology of a noisy point cloud 4

Concavity •  A  func2on                                                    is  concave  if  

 for  any                                            and  any                                          

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The hidden topology of a noisy point cloud 5

Concavity •  A  func2on                                                    is  concave  if  

 for  any                                            and  any                                          

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The hidden topology of a noisy point cloud 6

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if                                                                              is  concave  

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The hidden topology of a noisy point cloud 7

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 8

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 9

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

Given  a  point                                of  coordinates    

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The hidden topology of a noisy point cloud 10

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

Given  a  point                                of  coordinates    

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The hidden topology of a noisy point cloud 11

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 12

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

                                               is  concave  

obtained  via  direct  computa&on  

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The hidden topology of a noisy point cloud 13

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 14

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 15

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

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The hidden topology of a noisy point cloud 16

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

φ2(x) = (p− x)2

φ2(y) = (p− y)2

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The hidden topology of a noisy point cloud 17

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

φ2(x) = (p− x)2

φ2(y) = (p− y)2

φ2(z) ≥ (p− z)2

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The hidden topology of a noisy point cloud 18

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

φ2(z)− z2 ≥ λ(φ2(x)− x2) + (1− λ)(φ2(y)− y2)

(p− z)2 − z2 = λ(φ2(x)− x2) + (1− λ)(φ2(y)− y2)

φ2(x) = (p− x)2

φ2(y) = (p− y)2

φ2(z) ≥ (p− z)2

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The hidden topology of a noisy point cloud 19

Semi-concavity It  will  play  a  crucial  role:  where  does  it  come  from?  

•                                                       is  semi-­‐concave  if    there  exists  a  closed  set                                                such  that                                                                            for  any  

is  concave,    whence              is  semi-­‐concave  

φ2 − || · ||2φ2

φ2(λx+ (1− λ)y)− (λx+ (1− λ)y)2 ≥λ(φ2(x)− x2) + (1− λ)(φ2(y)− y2)

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The hidden topology of a noisy point cloud 20

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

for  each                                    ,  take  the  open  excluded  ball  x ∈ Rm

B|φ(x)|((x, 0)) =

{y ∈ Rm+1 | d2((x, 0), y) < φ2(x)}

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The hidden topology of a noisy point cloud 21

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

for  each                                    ,  take  the  open  excluded  ball  x ∈ Rm

B|φ(x)|((x, 0)) =

{y ∈ Rm+1 | d2((x, 0), y) < φ2(x)}

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The hidden topology of a noisy point cloud 22

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

for  each                                    ,  take  the  open  excluded  ball  x ∈ Rm

B|φ(x)|((x, 0)) =

{y ∈ Rm+1 | d2((x, 0), y) < φ2(x)}

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The hidden topology of a noisy point cloud 23

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

for  each                                    ,  take  the  open  excluded  ball  x ∈ Rm

B|φ(x)|((x, 0)) =

{y ∈ Rm+1 | d2((x, 0), y) < φ2(x)}

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The hidden topology of a noisy point cloud 24

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

for  each                                    ,  take  the  open  excluded  ball  x ∈ Rm

B|φ(x)|((x, 0)) =

{y ∈ Rm+1 | d2((x, 0), y) < φ2(x)}

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The hidden topology of a noisy point cloud 25

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

define  as  the  complement  of  the  union  of  such  balls  

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The hidden topology of a noisy point cloud 26

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

                         contains    the  3-­‐points  set    we  started  from  

KKmax

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The hidden topology of a noisy point cloud 27

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

In  general,                            does  not  preserve    the  cri&cal  points  of          in  the  subspace  

Rm

{critical points of K in R} = ∅

To  be  defined  later  on  

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The hidden topology of a noisy point cloud 28

Semi-concavity •  Sample  construc2on  of  such  that  for  any  

The  cri2cal  points  of  in  the  subspace  are  the  non-­‐zero  cri&cal  points  of  (this  happens  because                              is  symmetric  w.r.t.                )  

φ

RmKmax

RmKmax

{critical points of Kmax in R} = {critical points of φ}

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The hidden topology of a noisy point cloud 29

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if        

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The hidden topology of a noisy point cloud 30

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if    

 Example:                                                    and  distance-­‐like  

               

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The hidden topology of a noisy point cloud 31

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if    

               

 

Example:                                                    and  distance-­‐like  

For  

Impo

ssible  

Non

-­‐  cri&cal  

Cri&cal  

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The hidden topology of a noisy point cloud 32

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if    

                 

 Example:                                                                                                                        distance-­‐like    At  all  0-­‐cri&cal  poinP  of              we  have                                                            and  

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The hidden topology of a noisy point cloud 33

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if    

 Example:                                                                                      and  distance-­‐like  

               

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The hidden topology of a noisy point cloud 34

-critical point •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if  

•  Alterna&ve  defini&on:  a  point                                    is          -­‐cri2cal  if  it  is        -­‐cri2cal  for        

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The hidden topology of a noisy point cloud 35

Isotopy Lemma •  Given  a  distance-­‐like  func2on  and  two  numbers                                                  such  that  there  are  no        -­‐cri2cal  points  in  Then  all  the  sublevel  sets      are  isotopic    

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The hidden topology of a noisy point cloud 36

-reach •  Given  a  distance-­‐like  func2on                                                  the        -­‐reach  of            is      

•  Alterna&ve  defini&on:  the        -­‐reach  of            is      

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The hidden topology of a noisy point cloud 37

Sup norm •  Given  two  func2ons  

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The hidden topology of a noisy point cloud 38

Reconstruction theorem •  Let                      be  two  distance-­‐like  func2ons  having                                                            for  which  it  exists  a    such  that  

Then,  for  all                                                          and  all  the  sublevel  sets  

 have  the  same  homotopy  type        (Theorem  4.6)