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Spectral Clustering

1. Formalization

1.1. Given

  • An undirected graph ()
  • The edge is weighted by similarity

1.2. Optimization problem

where is the complement of , and "cut(A)" and "vol(A)" are defined by We denote by the degree of node .

2. Preparation

Def(unnormalized graph Laplacian matrix)
We denote by the degree matrix defined by

We denote be the unnormalized graph Laplacian matrix

-

Theorem1
For every vector we have

(proof)

-

Theorem2
For , where

and

Then, we have

(proof)

-

Theorem3

(proof)

3. Relaxation

We call those of equations (1), (2), (3), and (4) from above.

proof(1)(2)

element of =

proof(3)(4)

(3)(4)

If is the optimal solution of (3), we set . Then, we have , thus is the feasible solution of (4). Moreover, we have Therefore, the optimal value of (4) is less than or equal to the optimal value of (3). The other is proved in the same way.

For solving optimization of (4), we show below theorem.

Theorem4 (Extermal partial trace)
行列をエルミート行列とし,その固有値を. 対応する固有ベクトルをとする. このとき, 固有値についてが成立しているならば,任意のと正規直交系に対して,

が成立.さらに, ならば等号が成立.

Proof. はエルミート行列なので,固有値は全て実数でありユニタリ行列によって対角化出来ることに注意する.(証明略)
はエルミート行列なので, となるようなをとることができる. ここで,の正規直交基底になるようにをとる. また, と定義する.このとき, ゆえに,成分は と表される. ここで任意の正方行列に対して次主小行列(首座小行列) principal submatrix を と表記することにする. つまり このとき, が成立.一方で 以上より, ここで,はユニタリ行列であるので,もユニタリ行列.(例えば任意のに対して, を示せば良い.) ゆえに,行ベクトルの長さは1であるので, また,列ベクトルの長さは1であるので, よって, のとき最小値をとる. (気持ちとしては出来るだけ小さいを割り当てることを考える.) また, ならば, であるので等号成立.

3.1. Solving below optimization problem

Let be where . Considering the constraint, we have , which implices are orthogonal system. If we see as the of theorem4,

Therefore, if we list eigenvalues of in ascending order and the corresponding orthgonal system , we get the optimal value of when .


When clustering, we set and , we apply the other clustering method to

3.2. Reference

https://www.slideshare.net/pecorarista/ss-51761860

Last modified by akirat1993 2019-05-26 02:56:51
Created by akirat1993 2019-05-26 02:56:51

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