論文の概要: Assessing and improving reliability of neighbor embedding methods: a map-continuity perspective

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.16608v1
• Date: Tue, 22 Oct 2024 01:40:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-23 14:29:41.676172
• Title: Assessing and improving reliability of neighbor embedding methods: a map-continuity perspective
• Title（参考訳）: 隣接埋め込み法の信頼性評価と信頼性向上--地図連続性の観点から
• Authors: Zhexuan Liu, Rong Ma, Yiqiao Zhong,
• Abstract要約: 隣接する t-SNE, UMAP, LargeVis などの埋め込み手法は、一般的な可視化手法のファミリーである。 近年の研究では、これらの手法がしばしば視覚的な人工物を生み出し、誤った科学的結論につながる可能性が示唆されている。 本稿では,古典的な統計的概念に基づいて埋め込みマップを学習する,新しい概念的・計算的枠組み LOO-map を紹介する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.969441406380581
• License:
• Abstract: Visualizing high-dimensional data is an important routine for understanding biomedical data and interpreting deep learning models. Neighbor embedding methods, such as t-SNE, UMAP, and LargeVis, among others, are a family of popular visualization methods which reduce high-dimensional data to two dimensions. However, recent studies suggest that these methods often produce visual artifacts, potentially leading to incorrect scientific conclusions. Recognizing that the current limitation stems from a lack of data-independent notions of embedding maps, we introduce a novel conceptual and computational framework, LOO-map, that learns the embedding maps based on a classical statistical idea known as the leave-one-out. LOO-map extends the embedding over a discrete set of input points to the entire input space, enabling a systematic assessment of map continuity, and thus the reliability of the visualizations. We find for many neighbor embedding methods, their embedding maps can be intrinsically discontinuous. The discontinuity induces two types of observed map distortion: ``overconfidence-inducing discontinuity," which exaggerates cluster separation, and ``fracture-inducing discontinuity," which creates spurious local structures. Building upon LOO-map, we propose two diagnostic point-wise scores -- perturbation score and singularity score -- to address these limitations. These scores can help identify unreliable embedding points, detect out-of-distribution data, and guide hyperparameter selection. Our approach is flexible and works as a wrapper around many neighbor embedding algorithms. We test our methods across multiple real-world datasets from computer vision and single-cell omics to demonstrate their effectiveness in enhancing the interpretability and accuracy of visualizations.
• Abstract（参考訳）: 高次元データの可視化は、バイオメディカルデータを理解し、ディープラーニングモデルを解釈するための重要なルーチンである。 t-SNE、UMAP、LargeVisなどの隣接埋め込み手法は、高次元データを2次元に縮小する一般的な可視化手法のファミリーである。 しかし、最近の研究では、これらの手法がしばしば視覚的な人工物を生み出し、誤った科学的結論につながる可能性が示唆されている。 現在の制限は、埋め込みマップというデータに依存しない概念の欠如に起因していると認識し、古典的な統計的概念であるLeft-one-outに基づいて埋め込みマップを学習する新しい概念的・計算的枠組みであるLOO-mapを導入する。 LOO-mapは、個別の入力点の集合に埋め込まれた埋め込みを入力空間全体に拡張し、マップの連続性を体系的に評価し、視覚化の信頼性を高める。 多くの隣接埋め込み法について、それらの埋め込み写像は本質的に不連続である。 この不連続性は、クラスタ分離を誇張する‘overconfidence-inducing discontinuity’と、急激な局所構造を生み出す‘`fracture-inducing discontinuity’という2つの種類の観測地図歪みを誘導する。 LOO-mapに基づいて、これらの制限に対処するために、摂動スコアと特異点スコアという2つの診断点スコアを提案する。 これらのスコアは、信頼できない埋め込みポイントを特定し、配布外データを検出し、ハイパーパラメータの選択をガイドするのに役立ちます。 私たちのアプローチは柔軟で、多くの隣人の埋め込みアルゴリズムのラッパーとして機能します。 我々は,コンピュータビジョンと単一セルオミクスから複数の実世界のデータセットにまたがる手法を検証し,可視化の解釈可能性と精度を高める上での有効性を実証する。

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