Elastic Riemannian metrics have been used successfully in the past for statistical treatments of functional and curve shape data. However, this usage has suffered from an important restriction: the function boundaries are assumed fixed and matched. Functional data exhibiting unmatched boundaries typically arise from dynamical systems with variable evolution rates such as COVID-19 infection rate curves associated with different geographical regions. In this case, it is more natural to model such data with sliding boundaries and use partial matching, i.e., only a part of a function is matched to another function. Here, we develop a comprehensive Riemannian framework that allows for partial matching, comparing, and clustering of functions under both phase variability and uncertain boundaries. We extend past work by: (1) Forming a joint action of the time-warping and time-scaling groups; (2) Introducing a metric that is invariant to this joint action, allowing for a gradient-based approach to elastic partial matching; and (3) Presenting a modification that, while losing the metric property, allows one to control relative influence of the two groups. This framework is illustrated for registering and clustering shapes of COVID-19 rate curves, identifying essential patterns, minimizing mismatch errors, and reducing variability within clusters compared to previous methods.


翻译:过去曾成功地将Elastic Riemannian 测量指标用于功能和曲线形状数据的统计处理,但这一使用受到重要的限制:功能边界假定固定和匹配;显示不匹配边界的职能数据通常来自动态系统,其演变速度可变,如与不同地理区域相关的COVID-19感染率曲线;在这种情况下,比较自然的是,用滑动边界模拟此类数据,使用部分匹配,即只有部分功能与另一个功能匹配。这里,我们开发了一个全面的里曼尼框架,允许在阶段变异和不确定边界下部分匹配、比较和组合功能。我们扩展过去的工作,其方式是:(1) 形成时间调整和时间缩放组的联合行动;(2) 采用一种与这一联合行动无关的衡量标准,允许采用基于梯度的方法进行部分缩放匹配;(3) 提出一种修改,在丧失度属性的同时,允许控制两个组的相对影响。这个框架用于在变异性分类中进行登记和分组组合,确定以前的变异性变性模型,从而降低先前的变异性模型,确定基本模型。

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