Unsupervised feature learning often finds low-dimensional embeddings that capture the structure of complex data. For tasks for which prior expert topological knowledge is available, incorporating this into the learned representation may lead to higher quality embeddings. For example, this may help one to embed the data into a given number of clusters, or to accommodate for noise that prevents one from deriving the distribution of the data over the model directly, which can then be learned more effectively. However, a general tool for integrating different prior topological knowledge into embeddings is lacking. Although differentiable topology layers have been recently developed that can (re)shape embeddings into prespecified topological models, they have two important limitations for representation learning, which we address in this paper. First, the currently suggested topological losses fail to represent simple models such as clusters and flares in a natural manner. Second, these losses neglect all original structural (such as neighborhood) information in the data that is useful for learning. We overcome these limitations by introducing a new set of topological losses, and proposing their usage as a way for \emph{topologically regularizing} data embeddings to naturally represent a prespecified model. We include thorough experiments on synthetic and real data that highlight the usefulness and versatility of this approach, with applications ranging from modeling high-dimensional single-cell data, to graph embedding.


翻译:未经监督的特征学习通常会发现可以捕捉复杂数据结构的低维嵌入。 对于先前具备专家地貌知识的任务, 将这些数据纳入学习的表层模型可能会导致质量更高的嵌入。 例如, 这可能有助于将数据嵌入给定的组群, 或适应噪音, 从而无法直接从模型中获取数据, 然后可以更有效地学习。 但是, 缺少一个将不同先前的地貌知识纳入嵌入结构的一般工具 。 尽管最近开发了不同的表层层, 能够( 重新) 将它嵌入预先指定的表层模型, 但是它们对于代表学习有两大限制, 我们在本文件中讨论。 首先, 目前建议的表层损失无法代表简单的模型, 例如以自然的方式在模型和信号中直接生成数据, 这些损失忽略了数据中所有原始的结构( 如邻里) 信息, 有助于学习。 我们通过引入一套新的表层损失来克服这些局限性, 并提议使用它们作为( ) 模型化成型模型的嵌入式模型的方法, 将数据嵌入性数据嵌入到一个自然的高级模型前。

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