Many networked systems such as electric networks, the brain, and social networks of opinion dynamics are known to obey conservation laws. Examples of this phenomenon include the Kirchoff laws in electric networks and opinion consensus in social networks. Conservation laws in networked systems may be modeled as balance equations of the form $X = B^{*} Y$, where the sparsity pattern of $B^{*}$ captures the connectivity of the network, and $Y, X \in \mathbb{R}^p$ are vectors of "potentials" and "injected flows" at the nodes respectively. The node potentials $Y$ cause flows across edges and the flows $X$ injected at the nodes are extraneous to the network dynamics. In several practical systems, the network structure is often unknown and needs to be estimated from data. Towards this, one has access to samples of the node potentials $Y$, but only the statistics of the node injections $X$. Motivated by this important problem, we study the estimation of the sparsity structure of the matrix $B^{*}$ from $n$ samples of $Y$ under the assumption that the node injections $X$ follow a Gaussian distribution with a known covariance $\Sigma_X$. We propose a new $\ell_{1}$-regularized maximum likelihood estimator for this problem in the high-dimensional regime where the size of the network $p$ is larger than sample size $n$. We show that this optimization problem is convex in the objective and admits a unique solution. Under a new mutual incoherence condition, we establish sufficient conditions on the triple $(n,p,d)$ for which exact sparsity recovery of $B^{*}$ is possible with high probability; $d$ is the degree of the graph. We also establish guarantees for the recovery of $B^{*}$ in the element-wise maximum, Frobenius, and operator norms. Finally, we complement these theoretical results with experimental validation of the performance of the proposed estimator on synthetic and real-world data.


翻译:许多网络化系统,例如电网、大脑、社交舆论动态网络,已知可以遵守保护法律。这一现象的例子包括电网中的Kirchoff法律和社会网络的共识。网络化系统中的养护法律可以模拟成以美元=B ⁇ Y$为形式的平衡方程式。在这种方程式中,美元=Y$的宽度模式可以捕捉网络的连通性,而美元,X=y=athbb{R ⁇ p$是分别位于节点的“潜在”和“注入流”的矢量。节点上的节点中,美元导致边缘间流动的Kirchoff法律,而节点上注入的美元流对于网络动态的UX值流动是不相通的。为此,节点潜力的样本为美元,但仅以正数注入的美元为美元。由于这个重要问题,我们研究基底基的美元结构结构,美元=美元=美元,在美元正数的网络中, 美元=美元为美元的正值分布在已知的基底。

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