A Fuzzy Approach for Topological Data Analysis

Quang Thinh Bui

Doctoral thesis

Abstract:

Geometrie a topologie se stávají silnějšími a dominantnějšími v analýze dat díky svým vynikajícím vlastnostem. Nedávno se objevila jako slibná výzkumná oblast, známá jako topologická analýza dat (TDA), pro moderní informatiku. V posledních letech je algoritmus Mapper, vynikající představitel TDA, stále více doplněn o stabilizovaný teoretický základ a praktické aplikace a rozmanité, intuitivní a uživatelsky přívětivé implementace. Z teoretického hlediska je algoritmus Mapper stále fuzzy shlukovací algoritmus se schopností vizualizace extrahovat souhrn tvaru dat. Jeho výsledky jsou však stále velmi citlivé na volbu parametrů, včetně rozlišení a funkce. Proto je potřeba výrazně snížit závislost na jeho parametrech. Tato myšlenka je vzrušující a lze ji vyřešit díky vynikajícím vlastnostem fuzzy shlukování. Schopnost shlukování Mapperu je stále silnější díky podpoře známých technik. Proto se očekává, že tato kombinace užitečně a účinně vyřeší některé problémy, se kterými se setkáváme v mnoha oblastech. Hlavním výzkumným cílem této práce je přiblížit TDA pomocí fuzzy teorie a vytvořit mezi nimi vzájemné vztahy z hlediska shlukování. Explicitně řečeno, algoritmus Mapper představuje TDA a algoritmus Fuzzy $C$-Means (FCM) představuje fuzzy teorii. Jsou kombinovány, aby podpořily své výhody a překonaly své nevýhody. Na jedné straně algoritmus FCM pomáhá algoritmu Mapper zjednodušit výběr parametrů pro získání nejinformativnější prezentace a je ještě efektivnější při shlukování dat. Na druhé straně je algoritmus FCM vybaven vynikajícími vlastnostmi algoritmu Mapper pro zjednodušení a vizualizaci dat pomocí kvalitativní analýzy. Tato práce se zaměřuje na dobývání a dosažení následujících cílů: (1) Shrnutí teoretických základů a praktických aplikací Mapperova algoritmu v toku literatury s vylepšenými verzemi a různými implementacemi. (2) Optimalizace volby pokrytí algoritmu Mapper ve směru automatického rozdělení rozsahu filtru do nepravidelných intervalů s náhodně se překrývajícím procentem pomocí algoritmu FCM. (3) Vytvoření nové metody pro těžbu dat, která může vykazovat stejnou schopnost shlukování jako algoritmus FCM a odhalit některé smysluplné vztahy vizualizací globálního tvaru dat poskytovaných algoritmem Mapper.

Abstract:

Geometry and topology are becoming more powerful and dominant in data analysis because of their outstanding characteristics. It has emerged recently as a promising research area, known as Topological Data Analysis (TDA), for modern computer science. In recent years, the Mapper algorithm, an outstanding TDA representative, is increasingly completed with a stabilized theoretical foundation and practical applications and diverse, intuitive, user-friendly implementations. From a theoretical perspective, the Mapper algorithm is still a fuzzy clustering algorithm, with a visualization capability to extract the shape summary of data. However, its outcomes are still very sensitive to the parameter choice, including resolution and function. Therefore, there is a need to reduce the dependence on its parameters significantly. This idea is exciting and can be solved thanks to the outstanding characteristics of fuzzy clustering. The Mapper clustering ability is getting more potent by the support from well-known techniques. Therefore, this combination is expected to usefully and powerfully solve some problems encountered in many fields. The main research goal of this thesis is to approach TDA by fuzzy theory to create the interrelationships between them in terms of clustering. Explicitly speaking, the Mapper algorithm represents TDA, and the Fuzzy $C$-Means (FCM) algorithm represents fuzzy theory. They are combined to promote their advantages and overcome their disadvantages. On the one hand, the FCM algorithm helps the Mapper algorithm simplify the choice of parameters to obtain the most informative presentation and is even more efficient in data clustering. On the other hand, the FCM algorithm is equipped with the outstanding features of the Mapper algorithm in simplifying and visualizing data with qualitative analysis. This thesis focuses on conquering and achieving the following aims: (1) Summarizing the theoretical foundations and practical applications of the Mapper algorithm in the flow of literature with improved versions and various implementations. (2) Optimizing the cover choice of the Mapper algorithm in the direction of dividing the filter range automatically into irregular intervals with a random overlapping percentage by using the FCM algorithm. (3) Constructing a novel method for mining data that can exhibit the same clustering ability as the FCM algorithm and reveal some meaningful relationships by visualizing the global shape of data supplied by the Mapper algorithm.

Keywords

Topologická Analýza Dat, Datový Tvar, Fuzzy Shlukování, Mapper Algoritmus, Fuzzy Mapper Algoritmus, Tvarový Fuzzy $C$-Means Algoritmus

Keywords

Topological Data Analysis, Data Shape, Fuzzy Clustering, Mapper Algorithm, Fuzzy Mapper Algorithm, Shape Fuzzy $C$-Means Algorithm

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 1. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 11. 4. 2022
• Supervisor: Václav Snášel
• Reader: Jiří Kupka, Josef Šlapal, Jan Platoš

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Informatika