Continuum limits of evolution and variational problems on graphs

par Yosra Hafiene

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Jalal Fadili et de Abderrahim Elmoataz.

  • Titre traduit

    Limites continues de problèmes d'évolution et variationnels sur graphes


  • Résumé

    L’opérateur du p-Laplacien non local, l’équation d’évolution et la régularisation variationnelle associées régies par un noyau donné ont des applications dans divers domaines de la science et de l’ingénierie. En particulier, ils sont devenus des outils modernes pour le traitement massif des données (y compris les signaux, les images, la géométrie) et dans les tâches d’apprentissage automatique telles que la classification. En pratique, cependant, ces modèles sont implémentés sous forme discrète (en espace et en temps, ou en espace pour la régularisation variationnelle) comme approximation numérique d’un problème continu, où le noyau est remplacé par la matrice d’adjacence d’un graphe. Pourtant, peu de résultats sur la consistence de ces discrétisations sont disponibles. En particulier, il est largement ouvert de déterminer quand les solutions de l’équation d’évolution ou du problème variationnel des tâches basées sur des graphes convergent (dans un sens approprié) à mesure que le nombre de sommets augmente, vers un objet bien défini dans le domaine continu, et si oui, à quelle vitesse. Dans ce manuscrit, nous posons les bases pour aborder ces questions.En combinant des outils de la théorie des graphes, de l’analyse convexe, de la théorie des semi- groupes non linéaires et des équations d’évolution, nous interprétons rigoureusement la limite continue du problème d’évolution et du problème variationnel du p-Laplacien discrets sur graphes. Plus précisé- ment, nous considérons une suite de graphes (déterministes) convergeant vers un objet connu sous le nom de graphon. Si les problèmes d’évolution et variationnel associés au p-Laplacien continu non local sont discrétisés de manière appropriée sur cette suite de graphes, nous montrons que la suite des solutions des problèmes discrets converge vers la solution du problème continu régi par le graphon, lorsque le nombre de sommets tend vers l’infini. Ce faisant, nous fournissons des bornes d’erreur/consistance.Cela permet à son tour d’établir les taux de convergence pour différents modèles de graphes. En parti- culier, nous mettons en exergue le rôle de la géométrie/régularité des graphons. Pour les séquences de graphes aléatoires, en utilisant des inégalités de déviation (concentration), nous fournissons des taux de convergence nonasymptotiques en probabilité et présentons les différents régimes en fonction de p, de la régularité du graphon et des données initiales.


  • Résumé

    The non-local p-Laplacian operator, the associated evolution equation and variational regularization, governed by a given kernel, have applications in various areas of science and engineering. In particular, they are modern tools for massive data processing (including signals, images, geometry), and machine learning tasks such as classification. In practice, however, these models are implemented in discrete form (in space and time, or in space for variational regularization) as a numerical approximation to a continuous problem, where the kernel is replaced by an adjacency matrix of a graph. Yet, few results on the consistency of these discretization are available. In particular it is largely open to determine when do the solutions of either the evolution equation or the variational problem of graph-based tasks converge (in an appropriate sense), as the number of vertices increases, to a well-defined object in the continuum setting, and if yes, at which rate. In this manuscript, we lay the foundations to address these questions.Combining tools from graph theory, convex analysis, nonlinear semigroup theory and evolution equa- tions, we give a rigorous interpretation to the continuous limit of the discrete nonlocal p-Laplacian evolution and variational problems on graphs. More specifically, we consider a sequence of (determin- istic) graphs converging to a so-called limit object known as the graphon. If the continuous p-Laplacian evolution and variational problems are properly discretized on this graph sequence, we prove that the solutions of the sequence of discrete problems converge to the solution of the continuous problem governed by the graphon, as the number of graph vertices grows to infinity. Along the way, we provide a consistency/error bounds. In turn, this allows to establish the convergence rates for different graph models. In particular, we highlight the role of the graphon geometry/regularity. For random graph se- quences, using sharp deviation inequalities, we deliver nonasymptotic convergence rates in probability and exhibit the different regimes depending on p, the regularity of the graphon and the initial data.


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  • Sous le titre : Continuum limits of evolution and variational problems on graphs
  • Détails : 1 vol. (X-133 p.)
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