Published December 20, 2024 | Version v1
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Persistent geometry

Description

This thesis is dedicated to geometric inference, and more specifically to the estimation of curvatures of objects in Euclidean space from an approximating set that is close in the Hausdorff distance. In order to extend the filtering property of persistent homology to the realm of geometry, we introduce the framework of persistent geometry. It consists in combining connections between the topology and the curvatures of a subset of R^d provided by integral geometry, such as the principal kinematic formula, with persistence theory thanks to the so-called image persistence modules. We develop a new method to estimate the intrinsic volumes of a set, which are global quantities built from the curvatures of the set; particular intrinsic volumes include boundary area, Euler characteristic, and mean curvature. Our method allows for the recovery of the intrinsic volumes of a set from any approximating set up to an error that is linear with respect to the Hausdorff distance between them. We show that this approximation is valid as long as the estimated set has bounded total curvature and a positive mu-reach for some mu in (0,1). The mu-reach is a relaxation of the reach of Federer defined to extend geometric inference results to possibly non-smooth, non-convex sets. The class of compact sets of R^d having bounded total curvatures and a positive mu-reach for an arbitrary mu in (0,1) is broad, containing compact C^1 submanifolds, compact convex sets, polyhedra, and more generally many compact stratified subsets of R^d.To deal with these possibly singular sets, we use tools from different fields of mathematics, such as non-smooth analysis, geometric measure theory, and Morse theory. In particular, a crucial stepin our reasoning consists in the development of Morse theory for offsets of a set at regular values of its distance function. We show that the topology of sublevel sets of smooth maps restricted to such objects — which are not C^2 manifolds — typically evolves by the gluing of cells around each critical point, just as in the classical Morse theory on C^2 manifolds.

Abstract (French)

Cette thèse est dédiée à l'inférence géométrique et plus particulièrement à l'estimation de courbures d'un objet dans un espace euclidien à partir d'une approximation proche suivant la distance de Hausdorff. Nous développons le concept de géométrie persistante, destiné à étendre les propriétés filtrantes de l'homologie persistante au domaine de la géométrie. La géométrie persistante consiste à utiliser les relations entre la topologie et les courbures d'un sous-ensemble de R^d fournies par la géométrie intégrale, comme la formule cinématique principale. À l'aide d'une construction appelée persistance image, nous mêlons ces relations à l'homologie persistante pour estimer les volumes intrinsèques d'un objet à partir d'une approximation quelconque, et ce à un taux linéaire suivant la distance de Hausdorff qui les sépare. Parmi les volumes intrinsèques, on trouve notamment la caractéristique d'Euler, la courbure moyenne et l'aire du bord de l'objet. Nous montrons que cette approximation est valide tant que l'objet approximé a des courbures totales bornées et un mu-reach positif pour un certain mu dans ]0,1], le mu-reach étant une quantité généralisant le reach de Federer. Elle a été définie pour généraliser certains résultats d'inférence géométrique à des objets potentiellement ni lisses, ni convexes. Les objets compacts de R^d à mu-reach positif pour un certain mu dans ]0,1] et à courbures totales bornées forment une vaste classe, contenant les sous-variétés C^1 compactes, les compacts convexes, les polyèdres, et même plus généralement la plupart des compacts stratifiés. Nous utilisons et obtenons de nouveaux résultats dans différentes théories mathématiques comme l'analyse non-lisse, la théorie géométrique de la mesure et la théorie de Morse. En particulier, un résultat crucial à notre approche est le développement d'une notion de fonctions de Morse pour des voisinages tubulaires de parties de R^d à des valeurs régulières de leur fonction distance. Nous montrons que la topologie des sous-niveaux d'une fonction lisse restreinte à un tel objet, qui n'est pourtant pas une variété C^2, évolue généralement par l'attachement d'une cellule autour de chaque point critique, comme dans la théorie de Morse sur des variétés C^2.

Additional details

Identifiers

URL
https://theses.hal.science/tel-05046794
URN
urn:oai:HAL:tel-05046794v1

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