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定义Definition

位移插值

Displacement interpolation · W2 displacement interpolation

沿最优耦合直线移动每份质量,在 W2 空间中生成恒速测地线。

形式陈述 ​

两个分布之间的“中间分布”应该怎样定义,才能让搬运距离随时间匀速变化?位移插值先确定质量配对,再移动位置。

设 μ0,μ1∈P2(Rd),取平方成本最优计划 π,以推前测度定义

et(x,y)=(1−t)x+ty,μt=(et)#π,0≤t≤1.

则对任意 s,t∈[0,1],

W2(μs,μt)=|t−s|W2(μ0,μ1).

所以 t↦μt 是Wasserstein 距离下的恒速测地线。若最优计划由映射 T 诱导,可简化为 μt=((1−t)id+tT)#μ0;定义本身并不要求存在映射。

直觉

先抽一对最优匹配的起点与终点 (x,y),然后让这一份质量沿欧氏直线从 x 移到 y。所有质量同时按相同比例走过各自路线,所以任意两个时刻之间的平均平方搬运量按时间差的平方缩放。

由同一计划产生的 (es,et)#π 是 μs,μt 的可行耦合,成本为

∫|et−es|2dπ=(t−s)2W2(μ0,μ1)2,

先得到距离上界。对 0≤s<t≤1 再沿端点用三角不等式:

W2(μ0,μ1)≤W2(μ0,μs)+W2(μs,μt)+W2(μt,μ1)≤[s+(t−s)+(1−t)]W2(μ0,μ1).

两端相等,迫使中间各段上界都取等号,从而证明恒速,而不只证明路径连续。

例子与边界

从 δ0 搬到 δ2,唯一计划配对 0 与 2,所以 μt=δ2t,中点为 δ1。线性混合 (1−t)δ0+tδ2 的中点却把一半质量留在零、一半放到二,没有质量在中间。

在线性混合中,从初始分布到时刻 t 的 W2 距离为 2t;位移插值的距离则为 2t。两条路径虽然端点相同,前者不是按这个参数匀速移动的 Wasserstein 测地线。

再取 μ0=δ0、μ1=12δ−1+12δ1。最优计划需要拆分,但仍可定义

μt=12δ−t+12δt.

一维分位数配对给出 W2(μs,μt)=|t−s|,因此没有 Monge 映射并不妨碍测地线存在。

最优计划若不唯一,插值曲线也可能不唯一。即使两端有密度,中间密度的光滑性或统一上界也需要进一步条件;本定义只保证概率测度和有限二阶矩。一般度量空间没有表达式 (1−t)x+ty,需改用空间中的最短路径及其概率分布来构造。

推论与应用

位移插值给出沿质量搬运定义的分布中间态,适合解释 Wasserstein 重心和概率测度上的凸性。所谓位移凸性,是泛函沿这类路径满足凸性;它与沿混合 (1−t)μ0+tμ1 的通常凸性不同,应明确采用哪种路径。

参考资料
关系图谱5 个相邻概念 · 1 类关系

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