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Análisis Topológico

La forma de los datos. Cuántos componentes hay, cuántos hoyos, cuántas cavidades — sin importar la métrica concreta que uses.

§ 01 Topología de datos

¿De qué forma son los datos?

Imagina una nube de puntos en el plano. ¿Tiene forma de anillo? ¿De ocho? ¿De tres grupos separados? Esa pregunta — cuál es la forma de los datos — es lo que responde el análisis topológico.

La topología estudia propiedades de los objetos que sobreviven a deformaciones continuas: estirar, doblar, comprimir, pero no romper. Una taza de café y una rosquilla son topológicamente la misma cosa porque cada una tiene exactamente un agujero. Lo que importa no es la métrica — son los invariantes topológicos.

El TDA (Topological Data Analysis) lleva esta idea a conjuntos finitos de datos. Como una nube de puntos no tiene "forma" por sí sola, se construye una familia de formas conectando puntos cercanos a distintas escalas, y se rastrea cuáles agujeros sobreviven a lo largo de la familia.

§ 02 Bloques fundamentales

Complejos simpliciales

El TDA construye sus formas con simplices — generalizaciones de los triángulos a cualquier dimensión.

0-simplex

Punto

El bloque base. Un vértice aislado. Cada dato observado es un 0-simplex.

1-simplex

Arista

Une dos vértices. Codifica una relación: "estos dos puntos están cerca según mi métrica".

2-simplex

Triángulo

Un triángulo relleno. Aparece cuando tres puntos son mutuamente cercanos. Es la unidad clave para "tapar" agujeros.

3-simplex

Tetraedro

Un sólido de cuatro caras. Captura "agujeros tridimensionales". En general un k-simplex se forma con k+1 puntos.

Un complejo simplicial es un pegado consistente de simplices: cada vez que incluimos un triángulo, también deben estar sus tres aristas y sus tres vértices. La forma de un complejo simplicial es lo que nos permite hablar de "agujeros".

§ 03 Cómo crece la forma

Filtración Vietoris–Rips

Una nube de puntos sola no tiene forma. La filtración construye una familia de complejos simpliciales, indexada por una escala ε creciente.

Concretamente, el complejo de Vietoris–Rips VRε(X) conecta dos puntos con una arista si su distancia es ≤ ε; agrega un triángulo si tres puntos son mutuamente ≤ ε; un tetraedro si cuatro lo son; y así sucesivamente.

Conforme ε crece, el complejo crece — y aparecen nuevas características topológicas (componentes que se fusionan, ciclos que se cierran, cavidades que se tapan). La filtración es la secuencia ordenada de estos cambios.

§ 04 Contar agujeros

Grupos de homología

Los números de Betti son los invariantes que cuentan agujeros de cada dimensión. Son enteros, no negativos, y no dependen de cómo dibujes la forma.

β₀ componentes conexas — "cuántas piezas separadas"
β₁ lazos / anillos — "cuántos agujeros 2D"
β₂ cavidades — "burbujas huecas en 3D"

Una esfera tiene β₀ = 1, β₁ = 0, β₂ = 1. Una rosquilla (toro) tiene β₀ = 1, β₁ = 2, β₂ = 1. Dos rosquillas separadas: β₀ = 2, β₁ = 4, β₂ = 2. Esto es todo lo que la topología necesita saber para distinguirlas.

§ 05 Lo que sobrevive

Persistencia · ¿qué barras son largas?

A medida que ε crece, cada agujero nace en un valor y muere en otro. Los que persisten muchas escalas son reales; los que aparecen y desaparecen rápido son ruido del muestreo.

Esto se codifica como un barcode: una barra por cada característica, que va desde su nacimiento hasta su muerte. Es la firma topológica completa de los datos.

fig. 01 A la izquierda: la nube de puntos y su complejo de Vietoris–Rips conforme crece ε. A la derecha: el barcode — cuando una barra nace, aparece un agujero; cuando muere, se rellena. Las barras de β₁ largas son lazos reales de la nube; las cortas, ruido del muestreo.
Para licenciatura — complejo VR, homología simplicial y persistencia

Dado un conjunto finito de puntos X ⊂ ℝn y un parámetro ε ≥ 0, el complejo de Vietoris–Rips VRε(X) es el complejo simplicial cuyos k-simplices son los subconjuntos de k+1 puntos con diámetro a lo más ε.

Para cada dimensión k, se construye el espacio vectorial Ck generado por los k-simplices, y un operador frontera ∂k: Ck → Ck−1. La k-ésima homología es:

Hk = ker(∂k) / im(∂k+1)

El número de Betti βk = dim Hk cuenta los agujeros k-dimensionales. La homología persistente rastrea cómo cambian estos agujeros a lo largo de la filtración VRε(X) ↪ VRε′(X) para ε ≤ ε′. El resultado se codifica en el diagrama de persistencia o barcode.

ref. Edelsbrunner & Harer — Computational Topology: An Introduction, AMS (2010). Carlsson — Topology and data, BAMS (2009).