Топологический анализ данных

Betti Numbers

Числа Бетти

актуальноТекущий рабочий стандарт

Ранги групп гомологий: β₀ — число компонент, β₁ — число независимых циклов, β₂ — число полостей.

Ключевые тезисы

  • Простейший и самый интерпретируемый топологический дескриптор.
  • Кривые Бетти показывают их изменение вдоль фильтрации.
  • У окружности β₀ = 1, β₁ = 1; у сферы β₀ = 1, β₁ = 0, β₂ = 1.

Подробный разбор

2 подтем — раскройте любую, чтобы увидеть объяснение, формулы, примеры и интерактивные графики.

1

Числа Бетти на примерах

Самый интерпретируемый топологический дескриптор.

Объект
точка100
окружность110
диск100
сфера101
тор121
две отдельные окружности220

Кривая Бетти показывает, как меняется вдоль фильтрации. Такая кривая — компактный и легко объяснимый признак: «в диапазоне ε от 0.2 до 0.5 в данных устойчиво присутствует один цикл».

ε0.12
β₀ (компоненты)1
β₁ (циклы)1
рёбер в комплексе22
Счётчики β₀ и β₁ обновляются в реальном времени при изменении ε
2

Кривые Бетти как признаки

Простейшая векторизация, понятная без топологии.

Кривая Бетти — просто число особенностей, живых при данном ε. После дискретизации по сетке из 20–50 значений получается вектор, который можно подать в бустинг наравне с обычными признаками.

На практике

Это хороший стартовый вариант: считается быстро, интерпретируется словами и часто даёт основную часть прироста, который вообще способен дать TDA на ваших данных.

Связанные темы

Топология данных

Topology basics90%

Основы топологии · Топологический анализ данных

Топология изучает свойства, сохраняющиеся при непрерывных деформациях: связность, число дыр, компактность.

Simplicial complexes90%

Симплициальные комплексы · Топологический анализ данных

Дискретная аппроксимация формы облака точек: точки, рёбра, треугольники и их многомерные аналоги.

Homology90%

Гомологии · Топологический анализ данных

Алгебраический аппарат, который считает дыры разных размерностей в топологическом пространстве.

Persistent Homology90%

Персистентные гомологии · Топологический анализ данных

Центральный метод TDA: вместо одного порога ε рассматривается вся фильтрация, и отслеживается, когда топологические особенности рождаются и умирают.

Persistence Diagrams90%

Диаграммы персистентности · Топологический анализ данных

Каждая топологическая особенность — точка (рождение, смерть) на плоскости. Компактная сводка формы данных.

Persistence Landscapes90%

Ландшафты персистентности · Топологический анализ данных

Превращение диаграммы в набор кусочно-линейных функций — то есть в элемент гильбертова пространства.

Mapper90%

Алгоритм Mapper · Топологический анализ данных

Строит граф-скелет данных: проекция фильтрующей функцией, покрытие интервалами, локальная кластеризация и склейка.

Topological features90%

Топологические признаки · Топологический анализ данных

Векторизация топологии: энтропия персистентности, суммарная длина жизни, числа Бетти, persistence images.

TDA + Machine Learning90%

TDA и машинное обучение · Топологический анализ данных

Топологические признаки подаются в бустинг или нейросеть, либо топология встраивается прямо в функцию потерь.

TDA + Time Series90%

TDA и временные ряды · Топологический анализ данных

Ряд вкладывается в фазовое пространство (Такенс), и топология полученного облака описывает динамику системы.

Metric spaces90%

Метрические пространства · Топологический анализ данных

Множество с функцией расстояния. Любой TDA-пайплайн начинается с выбора метрики.