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PLPCA: Persistent Laplacian-Enhanced PCA for Microarray Data Analysis

可解释性 主成分分析 降维 代数连通性 拓扑数据分析 拉普拉斯矩阵 计算机科学 邻接矩阵 图形 高维数据聚类 模式识别(心理学) 数据挖掘 人工智能 拉普拉斯算子 数学 理论计算机科学 算法 聚类分析 数学分析
作者
Sean Cottrell,Rui Wang,Guo‐Wei Wei
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:64 (7): 2405-2420 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c01023
摘要

Over the years, Principal Component Analysis (PCA) has served as the baseline approach for dimensionality reduction in gene expression data analysis. Its primary objective is to identify a subset of disease-causing genes from a vast pool of thousands of genes. However, PCA possesses inherent limitations that hinder its interpretability, introduce class ambiguity, and fail to capture complex geometric structures in the data. Although these limitations have been partially addressed in the literature by incorporating various regularizers, such as graph Laplacian regularization, existing PCA based methods still face challenges related to multiscale analysis and capturing higher-order interactions in the data. To address these challenges, we propose a novel approach called Persistent Laplacian-enhanced Principal Component Analysis (PLPCA). PLPCA amalgamates the advantages of earlier regularized PCA methods with persistent spectral graph theory, specifically persistent Laplacians derived from algebraic topology. In contrast to graph Laplacians, persistent Laplacians enable multiscale analysis through filtration and can incorporate higher-order simplicial complexes to capture higher-order interactions in the data. We evaluate and validate the performance of PLPCA using ten benchmark microarray data sets that exhibit a wide range of dimensions and data imbalance ratios. Our extensive studies over these data sets demonstrate that PLPCA provides up to 12% improvement to the current state-of-the-art PCA models on five evaluation metrics for classification tasks after dimensionality reduction.
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