Graphs are playing a crucial role in different fields since they are powerful tools to unveil intrinsic relationships among signals. In many scenarios, an accurate graph structure representing signals is not available at all and that motivates people to learn a reliable graph structure directly from observed signals. However, in real life, it is inevitable that there exists uncertainty in the observed signals due to noise measurements or limited observability, which causes a reduction in reliability of the learned graph. To this end, we propose a graph learning framework using Wasserstein distributionally robust optimization (WDRO) which handles uncertainty in data by defining an uncertainty set on distributions of the observed data. Specifically, two models are developed, one of which assumes all distributions in uncertainty set are Gaussian distributions and the other one has no prior distributional assumption. Instead of using interior point method directly, we propose two algorithms to solve the corresponding models and show that our algorithms are more time-saving. In addition, we also reformulate both two models into Semi-Definite Programming (SDP), and illustrate that they are intractable in the scenario of large-scale graph. Experiments on both synthetic and real world data are carried out to validate the proposed framework, which show that our scheme can learn a reliable graph in the context of uncertainty.


翻译:图表在不同领域发挥着关键作用,因为它们是揭示信号之间内在关系的强大工具。在许多假设中,完全没有代表信号的准确图表结构,它激励人们直接从观察到的信号中学习可靠的图形结构。然而,在现实生活中,由于噪音测量或可观察性有限,观测到的信号中不可避免地存在不确定性,这导致所学图表的可靠性下降。为此,我们提议了一个图表学习框架,使用瓦西斯坦分布性强强力优化(WDRO),通过界定所观测数据分布的不确定性集来处理数据的不确定性。具体地说,开发了两种模型,其中一种假设所有不确定性集的分布都是高山分布,另一种假设没有先前的分布假设。我们不直接使用内部点方法,而是提出两种算法来解决相应的模型,并表明我们的算法更节省时间。此外,我们还将两种模型改制成半确定性绘图(SDP),并表明它们在大规模图表的分布中是难以调和的。在合成和真实世界中进行实验,以可靠的方式绘制我们的图表。

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