Artificial neural networks can learn complex, salient data features to achieve a given task. On the opposite end of the spectrum, mathematically grounded methods such as topological data analysis allow users to design analysis pipelines fully aware of data constraints and symmetries. We introduce a class of persistence-based neural network layers. Persistence-based layers allow the users to easily inject knowledge about symmetries (equivariance) respected by the data, are equipped with learnable weights, and can be composed with state-of-the-art neural architectures.

我们考虑了$ d $维图像的新拓扑效率化，该图像通过在计算持久性之前与各种过滤器进行卷积。将卷积滤波器视为图像中的图案，结果卷积的持久图描述了图案在整个图像中分布的方式。我们称之为卷积持久性的管道扩展了拓扑结合图像数据中模式的能力。的确，我们证明（通常说）对于任何两个图像，人们都可以找到某些过滤器，它们会为其产生不同的持久图，以便给定图像的所有可能的卷积持久性图的收集是一个不变的不变性。通过表现出卷积的持久性是另一种拓扑不变的持续性副学变换的特殊情况，这证明了这一点。卷积持久性的其他优势是提高噪声的稳定性和鲁棒性，对数据依赖性矢量化的更大灵活性以及对具有较大步幅向量的卷积的计算复杂性降低。此外，我们还有一套实验表明，即使人们使用随机过滤器并通过仅记录其总持久性，卷积大大提高了持久性的预测能力，即使一个人使用随机过滤器并将结果图进行量化。

拓扑数据分析（TDA）的主要挑战之一是从机器学习算法直接可用的持久图中提取功能。实际上，持久性图是R2中的本质上（多级）点，并且不能以直接的方式视为向量。在本文中，我们介绍了持平性器，这是一个接受持久图作为输入的第一变压器神经网络架构。坚持不懈的体系结构显着优于古典合成基准数据集上以前的拓扑神经网络架构。此外，它满足了通用近似定理。这使我们能够介绍一种用于拓扑机学习的第一解释方法，我们在两个示例中探讨。

Image segmentation is a largely researched field where neural networks find vast applications in many facets of technology. Some of the most popular approaches to train segmentation networks employ loss functions optimizing pixel-overlap, an objective that is insufficient for many segmentation tasks. In recent years, their limitations fueled a growing interest in topology-aware methods, which aim to recover the correct topology of the segmented structures. However, so far, none of the existing approaches achieve a spatially correct matching between the topological features of ground truth and prediction. In this work, we propose the first topologically and feature-wise accurate metric and loss function for supervised image segmentation, which we term Betti matching. We show how induced matchings guarantee the spatially correct matching between barcodes in a segmentation setting. Furthermore, we propose an efficient algorithm to compute the Betti matching of images. We show that the Betti matching error is an interpretable metric to evaluate the topological correctness of segmentations, which is more sensitive than the well-established Betti number error. Moreover, the differentiability of the Betti matching loss enables its use as a loss function. It improves the topological performance of segmentation networks across six diverse datasets while preserving the volumetric performance. Our code is available in https://github.com/nstucki/Betti-matching.

Tools of Topological Data Analysis provide stable summaries encapsulating the shape of the considered data. Persistent homology, the most standard and well studied data summary, suffers a number of limitations; its computations are hard to distribute, it is hard to generalize to multifiltrations and is computationally prohibitive for big data-sets. In this paper we study the concept of Euler Characteristics Curves, for one parameter filtrations and Euler Characteristic Profiles, for multi-parameter filtrations. While being a weaker invariant in one dimension, we show that Euler Characteristic based approaches do not possess some handicaps of persistent homology; we show efficient algorithms to compute them in a distributed way, their generalization to multifiltrations and practical applicability for big data problems. In addition we show that the Euler Curves and Profiles enjoys certain type of stability which makes them robust tool in data analysis. Lastly, to show their practical applicability, multiple use-cases are considered.

多参数持续的同源性在很大程度上被忽略为机器学习算法的输入。我们考虑使用基于晶格的卷积神经网络层作为分析多参数持续模块引起的特征的工具。我们发现，这些表现有望作为对多维持久模块分类的卷积的替代方法。

近年来，变压器模型的引入引发了自然语言处理（NLP）的革命。伯特（Bert）是仅使用注意机制的第一批文本编码者之一，没有任何复发部分来实现许多NLP任务的最新结果。本文使用拓扑数据分析介绍了文本分类器。我们将BERT的注意图转换为注意图作为该分类器的唯一输入。该模型可以解决诸如将垃圾邮件与HAM消息区分开的任务，认识到语法正确的句子，或将电影评论评估为负面还是正面。它与BERT基线相当表现，并在某些任务上表现优于它。此外，我们提出了一种新方法，以减少拓扑分类器考虑的BERT注意力头的数量，这使我们能够修剪从144个下降到只有10个，而不会降低性能。我们的工作还表明，拓扑模型比原始的BERT模型表现出对对抗性攻击的鲁棒性，该模型在修剪过程中维持。据我们所知，这项工作是第一个在NLP背景下以对抗性攻击的基于拓扑的模型。

适当地表示数据库中的元素，以便可以准确匹配查询是信息检索的核心任务；最近，通过使用各种指标将数据库的图形结构嵌入层次结构的方式中来实现。持久性同源性是一种在拓扑数据分析中常用的工具，能够严格地以其层次结构和连接结构来表征数据库。计算各种嵌入式数据集上的持续同源性表明，一些常用的嵌入式无法保留连接性。我们表明，那些成功保留数据库拓扑的嵌入通过引入两种扩张不变的比较措施来捕获这种效果，尤其是解决了对流形的度量扭曲问题。我们为它们的计算提供了一种算法，该算法大大降低了现有方法的时间复杂性。我们使用这些措施来执行基于拓扑的信息检索的第一个实例，并证明了其在持久同源性的标准瓶颈距离上的性能提高。我们在不同数据品种的数据库中展示了我们的方法，包括文本，视频和医学图像。

In this paper, we investigate the impact of neural networks (NNs) topology on adversarial robustness. Specifically, we study the graph produced when an input traverses all the layers of a NN, and show that such graphs are different for clean and adversarial inputs. We find that graphs from clean inputs are more centralized around highway edges, whereas those from adversaries are more diffuse, leveraging under-optimized edges. Through experiments on a variety of datasets and architectures, we show that these under-optimized edges are a source of adversarial vulnerability and that they can be used to detect adversarial inputs.

本文介绍了用于持久图计算的有效算法，给定一个输入分段线性标量字段f在D上定义的d二维简单复杂k，并带有$ d \ leq 3 $。我们的方法通过引入三个主要加速度来扩展开创性的“ Paircells”算法。首先，我们在离散摩尔斯理论的设置中表达了该算法，该算法大大减少了要考虑的输入简单数量。其次，我们介绍了问题的分层方法，我们称之为“夹心”。具体而言，minima-saddle持久性对（$ d_0（f）$）和鞍 - 最大持久对（$ d_ {d-1}（f）$）是通过与Union-Find-Find-Find-Find-Find-Find-Find-Find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find-find of nourstable组的1个有效计算的。 - addles和（D-1）addles的稳定集。尺寸为0和（D-1）的快速处理进一步减少，并且大幅度降低了$ d_1（f）$，即三明治的中间层的计算$ d_1（f）$的关键简单数量。第三，我们通过共享记忆并行性记录了几个绩效改进。我们为可重复性目的提供了算法的开源实施。我们还贡献了一个可重复的基准软件包，该基准软件包利用了公共存储库中的三维数据，并将我们的算法与各种公开可用的实现进行了比较。广泛的实验表明，我们的算法提高了两个数量级，即它扩展的开创性“ Paircells”算法的时间性能。此外，它还改善了14种竞争方法的选择，改善了记忆足迹和时间性能，比最快的可用方法具有可观的增长，同时产生了严格的输出。我们通过应用于表面，音量数据和高维点云的持续性一维发电机的快速和稳健提取的应用来说明我们的贡献实用性。

时间序列分析中产生的最重要的问题之一是分叉或变化点检测。也就是说，给定时间序列的集合在不同的参数上，何时基础动力系统的结构发生了变化？对于此任务，我们转向拓扑数据分析（TDA）的领域，该领域编码有关数据形状和结构的信息。近年来，利用TDA的工具用于信号处理任务（称为拓扑信号处理（TSP）（TSP））的想法在很大程度上通过标准管道获得了很多关注，该标准管道计算出Takens嵌入产生的点云的持久同源性。但是，此过程受到计算时间的限制，因为在这种情况下生成的简单复合物很大，但也有很多冗余数据。因此，我们求助于编码吸引子结构的最新方法，该方法构建了代表有关何时在状态空间区域之间动态系统传递的信息的序数分区网络（OPN）。结果是一个加权图，其结构编码有关基础吸引子的信息。我们以前的工作开始寻找以TDA适合的方式包装OPN信息的方法。但是，这项工作仅使用网络结构，而没有采取任何行动来编码其他加权信息。在本文中，我们采取下一步：构建管道来分析使用TDA的加权OPN，并表明该框架为系统中的噪声或扰动提供了更大的弹性，并提高了动态状态检测的准确性。

持续的同源性（PH）是拓扑数据分析中最流行的方法之一。尽管PH已用于许多不同类型的应用程序中，但其成功背后的原因仍然难以捉摸。特别是，尚不知道哪种类别的问题最有效，或者在多大程度上可以检测几何或拓扑特征。这项工作的目的是确定pH在数据分析中比其他方法更好甚至更好的问题。我们考虑三个基本形状分析任务：从形状采样的2D和3D点云中检测孔数，曲率和凸度。实验表明，pH在这些任务中取得了成功，超过了几个基线，包括PointNet，这是一个精确地受到点云的属性启发的体系结构。此外，我们观察到，pH对于有限的计算资源和有限的培训数据以及分布外测试数据，包括各种数据转换和噪声，仍然有效。

持久图（PDS）通常以同源性类别的死亡和出生为特征，以提供图形结构的拓扑表示，通常在机器学习任务中有用。先前的作品依靠单个图形签名来构建PD。在本文中，我们探讨了多尺度图标志家族的使用，以增强拓扑特征的鲁棒性。我们提出了一个深度学习体系结构来处理该集合的输入。基准图分类数据集上的实验表明，与使用图神经网络的最新方法相比，我们所提出的架构优于其他基于同源的方法，并实现其他基于同源的方法，并实现竞争性能。此外，我们的方法可以轻松地应用于大尺寸的输入图，因为它不会遭受有限的可伸缩性，这对于图内核方法可能是一个问题。

本地解释性方法 - 由于需要从业者将其模型输出合理化，因此寻求为每次预测产生解释的人越来越普遍。然而，比较本地解释性方法很难，因为它们每个都会在各种尺度和尺寸中产生输出。此外，由于一些可解释性方法的随机性质，可以不同地运行方法以产生给定观察的矛盾解释。在本文中，我们提出了一种基于拓扑的框架来从一组本地解释中提取简化的表示。我们通过首先为标量函数设计解释空间和模型预测之间的关系来实现。然后，我们计算这个功能的拓扑骨架。这种拓扑骨架作为这样的功能的签名，我们用于比较不同的解释方法。我们证明我们的框架不仅可以可靠地识别可解释性技术之间的差异，而且提供稳定的表示。然后，我们展示了我们的框架如何用于标识本地解释性方法的适当参数。我们的框架很简单，不需要复杂的优化，并且可以广泛应用于大多数本地解释方法。我们认为，我们的方法的实用性和多功能性将有助于促进基于拓扑的方法作为理解和比较解释方法的工具。

Many scientific fields study data with an underlying structure that is a non-Euclidean space. Some examples include social networks in computational social sciences, sensor networks in communications, functional networks in brain imaging, regulatory networks in genetics, and meshed surfaces in computer graphics. In many applications, such geometric data are large and complex (in the case of social networks, on the scale of billions), and are natural targets for machine learning techniques. In particular, we would like to use deep neural networks, which have recently proven to be powerful tools for a broad range of problems from computer vision, natural language processing, and audio analysis. However, these tools have been most successful on data with an underlying Euclidean or grid-like structure, and in cases where the invariances of these structures are built into networks used to model them.Geometric deep learning is an umbrella term for emerging techniques attempting to generalize (structured) deep neural models to non-Euclidean domains such as graphs and manifolds. The purpose of this paper is to overview different examples of geometric deep learning problems and present available solutions, key difficulties, applications, and future research directions in this nascent field.

我们介绍了CheBlieset，一种对（各向异性）歧管的组成的方法。对基于GRAP和基于组的神经网络的成功进行冲浪，我们利用了几何深度学习领域的最新发展，以推导出一种新的方法来利用数据中的任何各向异性。通过离散映射的谎言组，我们开发由各向异性卷积层（Chebyshev卷积），空间汇集和解凝层制成的图形神经网络，以及全球汇集层。集团的标准因素是通过具有各向异性左不变性的黎曼距离的图形上的等级和不变的运算符来实现的。由于其简单的形式，Riemannian公制可以在空间和方向域中模拟任何各向异性。这种对Riemannian度量的各向异性的控制允许平衡图形卷积层的不变性（各向异性度量）的平衡（各向异性指标）。因此，我们打开大门以更好地了解各向异性特性。此外，我们经验证明了在CIFAR10上的各向异性参数的存在（数据依赖性）甜点。这一关键的结果是通过利用数据中的各向异性属性来获得福利的证据。我们还评估了在STL10（图像数据）和ClimateNet（球面数据）上的这种方法的可扩展性，显示了对不同任务的显着适应性。

在本文中，我们在拓扑数据分析和几何深度学习之间建立了一个桥梁，调整了群体模棱两可的非企业运算符（Geneos）的拓扑理论，以在所有图表的空间上作用于在顶点或边缘加权的所有图。这是通过展示Geneo的一般概念可以用于转换图形并提供有关其结构的信息来完成的。这就需要引入广义定义和广义定义措施的新概念以及这些概念使我们能够在图之间构建基因的数学证据。实验部分结束了本文，说明了我们的操作员可能使用从图形中提取信息。本文是一系列研究线的一部分，该研究致力于为几何深度学习开发基因诺的组成和几何理论。

在半导体制造中，晶圆地图缺陷模式为设施维护和产量管理提供了关键信息，因此缺陷模式的分类是制造过程中最重要的任务之一。在本文中，我们提出了一种新颖的方式来表示缺陷模式作为有限维矢量的形状，该矢量将用作分类神经网络算法的输入。主要思想是使用拓扑数据分析（TDA）的持续同源性理论提取每种模式的拓扑特征。通过使用模拟数据集进行的一些实验，我们表明，与使用卷积神经网络（CNN）的方法相比，所提出的方法在训练方面更快，更有效地训练，这是晶圆映射缺陷模式分类的最常见方法。此外，当训练数据的数量不够并且不平衡时，我们的方法优于基于CNN的方法。

In computer-aided drug discovery (CADD), virtual screening (VS) is used for identifying the drug candidates that are most likely to bind to a molecular target in a large library of compounds. Most VS methods to date have focused on using canonical compound representations (e.g., SMILES strings, Morgan fingerprints) or generating alternative fingerprints of the compounds by training progressively more complex variational autoencoders (VAEs) and graph neural networks (GNNs). Although VAEs and GNNs led to significant improvements in VS performance, these methods suffer from reduced performance when scaling to large virtual compound datasets. The performance of these methods has shown only incremental improvements in the past few years. To address this problem, we developed a novel method using multiparameter persistence (MP) homology that produces topological fingerprints of the compounds as multidimensional vectors. Our primary contribution is framing the VS process as a new topology-based graph ranking problem by partitioning a compound into chemical substructures informed by the periodic properties of its atoms and extracting their persistent homology features at multiple resolution levels. We show that the margin loss fine-tuning of pretrained Triplet networks attains highly competitive results in differentiating between compounds in the embedding space and ranking their likelihood of becoming effective drug candidates. We further establish theoretical guarantees for the stability properties of our proposed MP signatures, and demonstrate that our models, enhanced by the MP signatures, outperform state-of-the-art methods on benchmark datasets by a wide and highly statistically significant margin (e.g., 93% gain for Cleves-Jain and 54% gain for DUD-E Diverse dataset).

拓扑数据分析（TDA）是来自数据科学和数学的工具，它开始在环境科学领域引起波浪。在这项工作中，我们寻求对TDA工具的直观且可理解的介绍，该工具对于分析图像（即持续存在同源性）特别有用。我们简要讨论理论背景，但主要关注理解该工具的输出并讨论它可以收集的信息。为此，我们围绕着一个指导示例进行讨论，该指导示例是对RASP等人研究的糖，鱼类，花朵和砾石数据集进行分类。 al。 2020年（Arxiv：1906：01906）。我们证明了如何使用简单的机器学习算法来获得良好的结果，并详细探讨了如何用图像级特征来解释这种行为。持续同源性的核心优势之一是它的解释性是可解释的，因此在本文中，我们不仅讨论了我们发现的模式，而且要考虑到为什么我们对持续性同源性理论的了解，因此可以期待这些结果。我们的目标是，本文的读者将更好地了解TDA和持续的同源性，能够确定自己的问题和数据集，为此，持续的同源性可能会有所帮助，并从应用程序中获得对结果的理解包括GitHub示例代码。