<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2017.00028</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>When Is Network Lasso Accurate?</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Jung</surname> <given-names>Alexander</given-names></name>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/380676/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Tran</surname> <given-names>Nguyen</given-names></name>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/498293/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Mara</surname> <given-names>Alexandru</given-names></name>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/497806/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff><institution>Department of Computer Science, Aalto University</institution>, <addr-line>Espoo</addr-line>, <country>Finland</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Juergen Prestin, University of L&#x000FC;beck, Germany</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Katerina Hlavackova-Schindler, University of Vienna, Austria; Valeriya Naumova, Simula Research Laboratory, Norway</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Alexander Jung <email>alexander.jung&#x00040;aalto.fi</email></p></fn>
<fn fn-type="other" id="fn002"><p>This article was submitted to Mathematics of Computation and Data Science, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>19</day>
<month>01</month>
<year>2018</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2017</year>
</pub-date>
<volume>3</volume>
<elocation-id>28</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>09</day>
<month>10</month>
<year>2017</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>28</day>
<month>12</month>
<year>2017</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2018 Jung, Tran and Mara.</copyright-statement>
<copyright-year>2018</copyright-year>
<copyright-holder>Jung, Tran and Mara</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>The &#x0201C;least absolute shrinkage and selection operator&#x0201D; (Lasso) method has been adapted recently for network-structured datasets. In particular, this network Lasso method allows to learn graph signals from a small number of noisy signal samples by using the total variation of a graph signal for regularization. While efficient and scalable implementations of the network Lasso are available, only little is known about the conditions on the underlying network structure which ensure network Lasso to be accurate. By leveraging concepts of compressed sensing, we address this gap and derive precise conditions on the underlying network topology and sampling set which guarantee the network Lasso for a particular loss function to deliver an accurate estimate of the entire underlying graph signal. We also quantify the error incurred by network Lasso in terms of two constants which reflect the connectivity of the sampled nodes.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>compressed sensing</kwd>
<kwd>big data</kwd>
<kwd>semi-supervised learning</kwd>
<kwd>complex networks</kwd>
<kwd>convex optimization</kwd>
<kwd>clustering</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="8"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="37"/>
<ref-count count="44"/>
<page-count count="11"/>
<word-count count="7771"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>In many applications ranging from image processing, social networks to bioinformatics, the observed datasets carry an intrinsic network structure. Such datasets can be represented conveniently by signals defined over a &#x0201C;data graph&#x0201D; which models the network structure inherent to the dataset [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. The nodes of this data graph represent individual data points which are labeled by some quantity of interest, e.g., the class membership in a classification problem. We represent this label information as a graph signal whose value for a particular node is given by its label [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. This graph signal representation of datasets allows to apply efficient methods from graph signal processing (GSP) which are obtained, in turn, by extending established methods (e.g., fast filtering and transforms) from discrete time signal processing (over chain graphs) to arbitrary graphs [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>The resulting graph signals are typically clustered, i.e., these signals are nearly constant over well connected subset of nodes (clusters) in the data graph. Exploiting this clustering property enables the accurate recovery of graph signals from few noisy samples. In particular, using the total variation to measure how well a graph signal conforms with the underlying cluster structure, the authors of Hallac et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] obtain the network Lasso (nLasso) by adapting the well-known Lasso estimator which is widely used for learning sparse models [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. The nLasso can be interpreted as an instance of the regularized empirical risk minimization principle, using total variation of a graph signal for the regularization. Some applications where the use of nLasso based methods has proven beneficial include housing price prediction and personalized medicine [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].</p>
<p>A scalable implementation of the nLasso has been obtained via the alternating direction method of multipliers (ADMM) [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. However, the authors of Boyd et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] do not discuss conditions on the underlying network structure which ensure success of the network Lasso. We close this gap in the understanding of the performance of network Lasso, by deriving sufficient conditions on the data graph (cluster) structure and sampling set such that nLasso is accurate. To this end, we introduce a simple model for clustered graph signals which are constant over well connected groups or clusters of nodes. We then define the notion of resolving sampling sets, which relates the cluster structure of the data graph to the sampling set. Our main contribution is an upper bound on the estimation error obtained from nLasso when applied to resolving sampling sets. This upper bound depends on two numerical parameters which quantify the connectivity between sampled nodes and cluster boundaries.</p>
<p>Much of the existing work on recovery conditions and methods for graph signal recovery (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]), relies on spectral properties of the data graph Laplacian matrix. In contrast, our approach is based directly on the connectivity properties of the underlying network structure. The closest to our work is Sharpnack et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] and Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], which provide sufficient conditions such that a special case of the nLasso (referred to as the &#x0201C;edge Lasso&#x0201D;) accurately recovers piece-wise constant (or clustered) graph signals from noisy observations. However, these works require access to fully labeled datasets, while we consider datasets which are only partially labeled (as it is typical for machine learning applications where label information is costly).</p>
<sec>
<title>1.1. Outline</title>
<p>The problem setting considered is formalized in section 2. In particular, we show how to formulate the problem of learning a clustered graph signal from a small amount of signal samples as a convex optimization problem, which is underlying the nLasso method. Our main result, i.e., an upper bound on the estimation error of nLasso is stated in section 3. Numerical experiments which illustrate our theoretical findings are discussed in section 4.</p>
</sec>
<sec>
<title>1.2. Notation</title>
<p>We will conform to standard notation of linear algebra as used, e.g., in Golub and Van Loan [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. For a binary variable <italic>b</italic>, we denote its negation as <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. Problem formulation</title>
<p>We consider datasets which are represented by a network model, i.e., a data graph <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with node set <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, edge set <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and weight matrix <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The nodes <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph represent individual data points. For example, the node <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> might represent a (super-)pixel in image processing, a neuron of a neural network [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] or a social network user profile [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>].</p>
<p>Many applications naturally suggest a notion of similarity between individual data points, e.g., the profiles of befriended social network users or grayscale values of neighboring image pixels. These domain-specific notions of similarity are represented by the edges of the data graph <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., the nodes <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> representing similar data points are connected by an undirected edge <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We denote the neighborhood of the node <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It will be convenient to associate with each undirected edge {<italic>i, j</italic>} a pair of directed edges, i.e., (<italic>i, j</italic>) and (<italic>j, i</italic>). With slight abuse of notation we will treat the elements of the edge set <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> either as undirected edges {<italic>i, j</italic>} or as pairs of two directed edges (<italic>i, j</italic>) and (<italic>j, i</italic>).</p>
<p>In some applications it is possible to quantify the extent to which data points are similar, e.g., via the physical distance between neighboring sensors in a wireless sensor network application [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. Given two similar data points <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which are connected by an edge <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we will quantify the strength of their connection by the edge weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003E; 0 which we collect in the symmetric weight matrix <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The absence of an edge between nodes <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is encoded by a zero weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 0. Thus the edge structure of the data graph <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is fully specified by the support (locations of the non-zero entries) of the weight matrix <bold>W</bold>.</p>
<sec>
<title>2.1. Graph signals</title>
<p>Beside the network structure, encoded in the data graph <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, datasets typically also contain additional labeling information. We represent this additional label information by a graph signal defined over <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] is a mapping <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which associates every node <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the signal value <italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02208;&#x0211D; (which might representing a label characterizing the data point). We denote the set of all graph signals defined over a graph <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Many machine learning methods for network structured data rely on a &#x0201C;cluster hypothesis&#x0201D; [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. In particular, we assume the graph signals <italic>x</italic>[&#x000B7;] representing the label information of a dataset conforms with the cluster structure of the underlying data graph. Thus, any two nodes <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> out of a well-connected region (&#x0201C;cluster&#x0201D;) of the data graph tend to have similar signal values, i.e., <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] &#x02248; <italic>x</italic>[<italic>j</italic>]. Two important application domains where this cluster hypothesis has been applied successfully are digital signal processing where time samples at adjacent time instants are strongly correlated for sufficiently high sampling rate (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>) as well as processing of natural images whose close-by pixels tend to be colored likely (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>). The cluster hypothesis is verified also often in social networks where the clusters are cliques of individuals having similar properties (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref> and Newman [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, Chap. 3]).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Graph signals defined over <bold>(A)</bold> a chain graph (representing, e.g., discrete time signals), <bold>(B)</bold> grid graph (representing, e.g., 2D-images) and <bold>(C)</bold> a general graph (representing, e.g., social network data), whose edges <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are captioned by edge weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0001.tif"/>
</fig>
<p>In what follows, we quantify the extend to which a graph signal <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> conforms with the clustering structure of the data graph <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using its <italic>total variation</italic> (TV)</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For a subset of edges <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we use the shorthand</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For a supervised machine learning application, the signal values <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] might represent class membership in a classification problem or the target (output) value in a regression problem. For the house price example considered in Hallac et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], the vector-valued graph signal <bold>x</bold>[<italic>i</italic>] corresponds to a regression weight vector for a local pricing model (used for the house market in a limited geographical area represented by the node <italic>i</italic>).</p>
<p>Consider a partition <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> disjoint subsets <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> of nodes (&#x0201C;clusters&#x0201D;) such that <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We associate a subset <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of nodes with a particular &#x0201C;indicator&#x0201D; graph signal</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;else</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>A simple model of clustered graph signals is then obtained by piece-wise constant or clustered graph signals of the form</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>, we depict a clustered graph signal for a chain graph with 10 nodes which are partitioned into two clusters: <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>A clustered graph signal <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 4) defined over a chain graph which is partitioned into two equal-size clusters <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> which consist of consecutive nodes. The edges connecting nodes within the same cluster have weight 1, while the single edge connecting nodes from different clusters has weight 1/2.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0002.tif"/>
</fig>
<p>It will be convenient to define, for a given partition <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, its boundary <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the set of edges <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which connect nodes <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> from different clusters, i.e., with <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. With a slight abuse of notation, we will use the same symbol <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also to denote the set of nodes which are connected to a node from another cluster.</p>
<p>The TV of a clustered graph signal of the form (Equation 4) can be upper bounded as</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, for a partition <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with small weighted boundary <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the associated clustered graph signals (Equation 4) have small TV ||<italic>x</italic>[&#x000B7;]||<sub>TV</sub> due to Equation (5).</p>
<p>The signal model (Equation 4), which also has been used in Sharpnack et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] and Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], is closely related to the stochastic block model (SBM) [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. Indeed, the SBM is obtained from Equation (4) by choosing the coefficients <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> uniquely for each cluster, i.e., <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Moreover, the SBM provides a generative (stochastic) model for the edges within and between the clusters <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We highlight that the clustered signal model (Equation 4) is somewhat dual to the model of band-limited graph signals [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. The model of band-limited graph signals is obtained by the subspaces spanned by the eigenvectors of the graph Laplacian corresponding to the smallest (in magnitude) eigenvalues, i.e., the low-frequency components. Such band-limited graph signals are smooth in the sense of small values of the Laplacian quadratic form [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]</p>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M58"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Here, we used the vector representation <bold>x</bold> &#x0003D; (<italic>x</italic>[1], &#x02026;, <italic>x</italic>[<italic>N</italic>])<sup><italic>T</italic></sup> of the graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] and the graph Laplacian matrix <bold>L</bold> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>N</italic>&#x000D7;<italic>N</italic></sup> defined element-wise as</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;otherwise</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>A band-limited graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] is characterized by a clustering (within a small bandwidth) of their graph Fourier transform (GFT) coefficients [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]</p>
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with the orthonormal eigenvectors <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> of the graph Laplacian matrix <bold>L</bold>. In particular, by the spectral decomposition of the psd graph Laplacian matrix <bold>L</bold> (cf. Equation 7), we have <bold>L</bold> &#x0003D; <bold>U&#x0039B;U</bold><sup><italic>H</italic></sup> with <bold>U</bold> &#x0003D; (<bold>u</bold><sub>1</sub>, &#x02026;, <bold>u</bold><sub><italic>N</italic></sub>) and the diagonal matrix <bold>&#x0039B;</bold> having (in decreasing order) the non-negative eigenvalues &#x003BB;<sub><italic>l</italic></sub> of <bold>L</bold> on its diagonal.</p>
<p>In contrast to band-limited graph signals, a clustered graph signal of the form (Equation 4) will typically have GFT coefficients which are spread out over the entire (graph) frequency range. Moreover, while band-limited graph signals are characterized by having a sparse GFT, a clustered graph signal of the form (Equation 4) has a dense (non-sparse) GFT in general. On the other hand, while a clustered graph signal of the form (Equation 4) has sparse signal differences <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the signal differences of a band-limited graph signal are dense (non-sparse).</p>
<p>Let us illustrate the duality between the clustered graph signal model (Equation 4) and the model of band-limited graph signals (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]) by considering a dataset representing a finite length segment of a time series. The data graph <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> underlying this time series data is chosen as a chain graph (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>), consisting of <italic>N</italic> &#x0003D; 100 nodes which represent the individual time samples. The time series is partitioned into two clusters <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, each cluster consisting of 50 consecutive nodes (time samples). We model the correlations between successive time samples using edge weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 1 for data points <italic>i, j</italic> belonging to the same cluster and a smaller weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 1/2 for the single edge {<italic>i, j</italic>} connecting the two clusters <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>A clustered graph signal (time series) <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 4) defined over <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is characterized by very sparse signal differences <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Indeed the signal difference <italic>x</italic><sub>0</sub>[<italic>i</italic>] &#x02212; <bold>x</bold><sub>0</sub>[<italic>j</italic>] of the clustered graph signal <bold>x</bold><sub>0</sub>[&#x000B7;] is non-zero only for the single edge {<italic>i, j</italic>} which connects <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In stark contrast, the GFT of <italic>x</italic><sub>0</sub>[&#x000B7;] is spread out over the entire (graph) frequency range (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>), i.e., the graph signal <italic>x</italic><sub>0</sub>[&#x000B7;] does not conform with the band-limited signal model.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>The magnitudes of the GFT coefficients <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 8) of a clustered graph signal <italic>x</italic><sub>0</sub>[&#x000B7;] defined over a chain graph (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>).</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0003.tif"/>
</fig>
<p>On the other hand, we illustrate in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> a graph signal <italic>x</italic><sub>BL</sub>[&#x000B7;] with GFT coefficients <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>BL</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 8) for <italic>l</italic> &#x0003D; 1, 2 and <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>BL</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> otherwise. Thus, the graph signal is clearly band-limited (it has only two non-zero GFT coefficients) but the signal differences <italic>x</italic><sub>BL</sub>[<italic>i</italic>] &#x02212; <italic>x</italic><sub>BL</sub>[<italic>j</italic>] across the edges <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are clearly non-sparse.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>A band-limited graph signal defined over a chain graph with <italic>N</italic> &#x0003D; 100.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Recovery via nLasso</title>
<p>Given a dataset with data graph <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we aim at recovering a graph signal <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> from its noisy values</p>
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>provided on a (small) sampling set</p>
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Typically <italic>M</italic> &#x0226A; <italic>N</italic>, i.e., the sampling set is a small subset of all nodes in the data graph <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The recovered graph signal <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should incur only a small empirical (or training) error</p>
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Note that the definition (Equation 11) of the empirical error involves the &#x02113;<sub>1</sub>-norm of the deviation <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> between recovered and measured signal samples. This is different from the error criterion used in the ordinary Lasso, i.e., the squared-error loss <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. The definition (Equation 11) is beneficial for applications with measurement errors <italic>e</italic><sub><italic>i</italic></sub> (cf. Equation 9) having mainly small values except for a few large outliers [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]. However, by contrast to plain Lasso, the error function in Equation (11) does not satisfy a restricted strong convexity property [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], which might be detrimental for the convergence speed of the resulting recovery methods (cf. Section 4).</p>
<p>In order to recover a clustered graph signal with a small TV <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 5) from the noisy signal samples <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> it is sensible to consider the recovery problem</p>
<disp-formula id="E12"><label>(12)</label><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext>arg&#x000A0;min</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mover accent='true'><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This recovery problem amounts to a convex optimization problem [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], which, as the notation already indicates, might have multiple solutions <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (which form a convex set). In what follows, we will derive conditions on the sampling set <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that any solution <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of Equation (12) allows to accurately recover clustered a graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] of the form (Equation 4).</p>
<p>Any graph signal obtained from Equation (12) balances the empirical error <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the TV <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in an optimal manner. The parameter &#x003BB; in Equation (12) allows to trade off a small empirical error against the amount to which the resulting signal is clustered, i.e., having a small TV. In particular, choosing a small value for &#x003BB; enforces the solutions of Equation (12) to yield a small empirical error, whereas choosing a large value for &#x003BB; enforces the solutions of Equation (12) to have small TV. Our analysis in section 3 provides a selection criterion for the parameter &#x003BB; which is based on the location of the sampling set <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 10) and the partition <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> underlying the clustered graph signal model (Equation 4). Alternatively, for sufficiently large sampling sets one might choose &#x003BB; using a cross-validation procedure [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>].</p>
<p>Note that the recovery problem (Equation 12) is a particular instance of the generic nLasso problem studied in Hallac et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. There exist efficient convex optimization methods for solving the nLasso problem (Equation 12) (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] and the references therein). In particular, the alternating method of multipliers (ADMM) has been applied to the nLasso problem in Hallac et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] to obtain a scalable learning algorithm which can cope with massive heterogeneous datasets.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. When is network lasso accurate?</title>
<p>The accuracy of graph signal recovery methods based on the nLasso problem (Equation 12), depends on how close the solutions <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of Equation (12) are to the true underlying graph signal <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In what follows, we present a condition which guarantees any solution <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of Equation (12) to be close to the underlying graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] if it is clustered of the form (Equation 4).</p>
<p>A main contribution of this paper is the insight that the accuracy of nLasso methods, aiming at solving Equation (12), depends on the topology of the underlying data graph via the existence of certain <italic>flows with demands</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. Given a data graph <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we define a flow on it as a mapping <inline-formula><mml:math id="M99"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:math></inline-formula> which assigns each directed edge (<italic>i, j</italic>) the value <italic>h</italic>[(<italic>i, j</italic>)], which can be interpreted as the amount of some quantity flowing through the edge (<italic>i, j</italic>) [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. A flow with demands has to satisfy the conservation law</p>
<disp-formula id="E13"><label>(13)</label><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;any&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with a prescribed demand <italic>d</italic>[<italic>i</italic>] for each node <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Moreover, we require flows to satisfy the capacity constraints</p>
<disp-formula id="E14"><label>(14)</label><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;any&#x000A0;&#x000A0;edge&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02130;</mml:mi><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02131;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Note that the capacity constraint (Equation 14) applies only to intra-cluster edges and does not involve the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The flow values <italic>h</italic>(<italic>i, j</italic>) at the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> take a special role in the following definition of the notion of resolving sampling sets.</p>
<p><bold>Definition 1</bold>. <italic>Consider a dataset with data graph <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which contains the sampling set <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The sampling set <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves a partition <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with constants K and L if, for any b<sub>i,j</sub> &#x02208;</italic> {0, 1} <italic>with <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, there exists a flow h[&#x000B7;] on <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equations 13, 14) with</italic></p>
<disp-formula id="E15"><label>(15)</label><mml:math id="M111"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><italic>for every boundary edge</italic> <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>and demands (cf. Equation 13) satisfying</italic></p>
<disp-formula id="E16"><label>(16)</label><mml:math id="M113"><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02133;</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant='script'>V</mml:mi><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>This definition requires nodes of a resolving sampling set to be sufficiently well connected with every boundary edge <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In particular, we could think of injecting (absorbing) certain amounts of flow into (from) the data graph at the sampled nodes. At each sampled node <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can inject (absorb) a flow of level at most <italic>K</italic> (cf. Equation 16). The injected (absorbed) flow has to be routed from the sampled nodes via the intra-cluster edges to each boundary edge such that it carries a flow value <italic>L</italic> &#x000B7; <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub>. Clearly, this is only possible if there are paths of sufficient capacity between sampled nodes and boundary edges available.</p>
<p>The definition of resolving sampling sets is quantitive as it involves the numerical constants <italic>K</italic> and <italic>L</italic>. Our main result stated below is an upper bound on the estimation error of nLasso methods which depends on the value of these constants. It will turn out that resolving sampling sets with a small values of <italic>K</italic> and large values of <italic>L</italic> are beneficial for the ability of nLasso to recover the entire graph signal from noisy samples observed on the sampling set. However, the constants <italic>K</italic> and <italic>L</italic> are coupled via the flow <italic>h</italic>[&#x000B7;] used in Definition 1, e.g., the constant <italic>K</italic> always has to satisfy</p>
<disp-formula id="E17"><label>(17)</label><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the minimum possible value for <italic>K</italic> depends on the values of the edge weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> of the data graph. Moreover, the minimum possible value for <italic>L</italic> depends on the precise connectivity of sampled nodes with the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Indeed, Definition 1 requires to route (by satisfying the capacity constraints, Equation 14), an amount of flow given by <italic>LW</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> from a boundary edge <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the sampled nodes in <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>In order to make (the somewhat abstract) Definition 1 more transparent, let us state an easy-to-check sufficient condition for a sampling set <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that it resolves a given partition <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><bold>Lemma 2</bold>. <italic>Consider a partition <inline-formula><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which contains the sampling set <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If each boundary edge <inline-formula><mml:math id="M125"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is connected to sampled nodes, i.e., <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02229;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02229;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and weights W<sub>m,i</sub>, W<sub>n,j</sub> &#x02265; LW<sub>i,j</sub>, then the sampling set <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with constants L and</italic></p>
<disp-formula id="E18"><label>(18)</label><mml:math id="M134"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02229;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref> we depict a data graph consisting of two clusters <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The data graph contains the sampling set <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M137"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with constants <italic>K</italic> &#x0003D; <italic>L</italic> &#x0003D; 4 according to Lemma 2.</p>
<p>The sufficient condition provided by Lemma 2 can be used to guide the choice for the sampling set <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In particular Lemma 2 suggests to sample more densely near the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M139"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which connect different clusters. This rationale allows to cope with applications where the underlying partition <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unknown. In particular, we could use highly scalable local clustering methods (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]) to find the cluster boundaries <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and then select the sampled nodes in their vicinity. Another approach to cope with lack of information about <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is based on using random walks to identify the subset of nodes with a large boundary which are sampled more densely [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>].</p>
<p>We now state our main result which is that solutions of the nLasso problem (Equation 12) allow to accurately recover the true underlying clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] (conforming with the partition <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 4) from the noisy measurements (Equation 9) whenever the sampling set <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><bold>Theorem 3.</bold> <italic>Consider a clustered graph signal x[&#x000B7;] of the form (Equation 4), with underlying partition <inline-formula><mml:math id="M146"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph into disjoint clusters <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We observe the noisy signal values y[i] at the samples nodes <inline-formula><mml:math id="M148"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 9). If the sampling set <inline-formula><mml:math id="M149"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M150"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with parameters K &#x0003E;</italic> 0, <italic>L &#x0003E; 1, any solution <inline-formula><mml:math id="M151"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the nLasso problem (Equation 12) with &#x003BB;: &#x0003D;</italic> 1<italic>/K satisfies</italic></p>
<disp-formula id="E19"><label>(19)</label><mml:math id="M152"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, if the sampling set <inline-formula><mml:math id="M153"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen such that it resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Definition 1), nLasso methods (cf. Equation 12) recover a clustered graph signal <bold>x</bold>[&#x000B7;] (cf. Equation 4) with an accuracy which is determined by the level of the measurement noise <italic>e</italic>[<italic>i</italic>] (cf. Equation 9).</p>
<p>Let us highlight that the knowledge of the partition <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> underlying the clustered graph signal model (Equation 4) is only needed for the analysis of nLasso methods leading to Theorem 3. In contrast, the actual implementation methods of nLasso methods based on Equation (12) does not require any knowledge of the underlying partition. What is more, if the true underlying graph signal <bold>x</bold>[&#x000B7;] is clustered according to Equation (4) with different signal values <italic>a</italic><sub><italic>l</italic></sub> for different clusters <inline-formula><mml:math id="M156"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the solutions of the nLasso Equation (12) could be used for determining the clusters <inline-formula><mml:math id="M157"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> which constitute the partition <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We also note that the bound (Equation 19) characterizes the recovery error in terms of the semi-norm <inline-formula><mml:math id="M159"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> which is agnostic toward a constant offset in the recovered graph signal <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In particular, having a small value of <inline-formula><mml:math id="M161"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> does in general not imply a small squared error <inline-formula><mml:math id="M162"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as there might be an arbitrarily large constant offset contained in the nLasso solution <inline-formula><mml:math id="M163"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>However, if the error <inline-formula><mml:math id="M164"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is sufficiently small, we might be able to identify the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M165"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the partition <inline-formula><mml:math id="M166"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> underlying a clustered graph signal of the form (Equation 4).</p>
<p>Indeed, for a clustered graph signal of the form (Equation 4), the signal difference <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] &#x02212; <italic>x</italic>[<italic>j</italic>] across edges is non-zero only for boundary edges <inline-formula><mml:math id="M167"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Lets assume the signal differences of <italic>x</italic>[&#x000B7;] across boundary edges <inline-formula><mml:math id="M168"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are lower bounded by some positive constant &#x003B7; &#x0003E; 0 and the nLasso error satisfies <inline-formula><mml:math id="M169"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. As can be verified easily, we can then perfectly recover the boundary <inline-formula><mml:math id="M170"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the partition <inline-formula><mml:math id="M171"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as precisely those edges <inline-formula><mml:math id="M172"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for which <inline-formula><mml:math id="M173"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Given the boundary <inline-formula><mml:math id="M174"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can recover the partition <inline-formula><mml:math id="M175"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and, in turn, average the noisy observations <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] over all sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M176"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belonging to the same cluster. This simple post-processing of the nLasso estimate <inline-formula><mml:math id="M177"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is summarized in Algorithm 1.</p>
<table-wrap position="float">
<caption><p><bold>Algorithm 1</bold> Post-Processing for nLasso.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<tbody>
<tr>
<td align="left" valign="top"><bold>Input:</bold> data graph <inline-formula><mml:math id="M178"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, noisy signal samples <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] (cf. Equation 9), nLasso estimate <inline-formula><mml:math id="M179"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 12) and threshold &#x003B7; &#x0003E; 0</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;1: construct candidate boundary <inline-formula><mml:math id="M180"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;2: find partition <inline-formula><mml:math id="M181"><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M182"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td></tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;3: if no such partition exists return &#x0201C;ERR&#x0201D;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;4: for each cluster <inline-formula><mml:math id="M183"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></td></tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;5: &#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;construct set <inline-formula><mml:math id="M184"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02229;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;6: &#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;if set <inline-formula><mml:math id="M185"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is empty return &#x0201C;ERR&#x0201D;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;7: &#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;for every <inline-formula><mml:math id="M186"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> set <inline-formula><mml:math id="M187"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> new estimate <inline-formula><mml:math id="M188"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or &#x0201C;ERR&#x0201D;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="top"><bold>Output:</bold> new estimate <inline-formula><mml:math id="M189"><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>[.] or &#x0201C;ERR&#x0201D;</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><bold>Lemma 4.</bold> <italic>Consider the setting of Theorem 3 involving a clustered graph signal x[&#x000B7;] of the form (Equation 4) with coefficients a<sub>l</sub> satisfying <inline-formula><mml:math id="M190"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:math></inline-formula> for l &#x02260; l&#x02032; with a known positive threshold &#x003B7; &#x0003E;</italic>0. <italic>We observe noisy signal samples y[i] (cf. Equation 9) over the sampling set <inline-formula><mml:math id="M191"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a bounded error e[i] &#x02264; &#x003F5;. If the sampling set <inline-formula><mml:math id="M192"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M193"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with parameters K &#x0003E;</italic>0, <italic>L &#x0003E;</italic> 1 <italic>such that</italic></p>
<disp-formula id="E20"><label>(20)</label><mml:math id="M194"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>then the signal <inline-formula><mml:math id="M195"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> delivered by Algorithm 1 satisfies</p>
<disp-formula id="E21"><label>(21)</label><mml:math id="M196"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Numerical experiments</title>
<p>In order to illustrate the theoretical findings of section 3 we report the results of some illustrative numerical experiments involving the recovery of clustered graph signals of the form (Equation 4) from a small number of noisy measurements (Equation 9). To this end, we implemented the iterative method ADMM [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] to solve the nLasso (Equation 12) problem. We applied the resulting semi-supervised learning algorithm to two synthetically generated data sets. The first data set represents a time series, which can be represented as a graph signal over a chain graph. The nodes of the chain graph, which represent the discrete time instants are partitioned evenly into clusters of consecutive nodes. A second experiment is based on data sets generated using a recently proposed generative model for complex networks.</p>
<sec>
<title>4.1. Chain graph</title>
<p>Our first experiment, is based on a graph signal defined over a chain graph <inline-formula><mml:math id="M197"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>) with <italic>N</italic> &#x0003D; 10<sup>5</sup> nodes <inline-formula><mml:math id="M198"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, connected by <italic>N</italic> &#x02212; 1 undirected edges. The nodes of the data graph <inline-formula><mml:math id="M199"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are partitioned into <italic>N</italic>/10 equal-sized clusters <inline-formula><mml:math id="M200"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <italic>l</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>/10, each constituted by 10 consecutive nodes. The intrinsic clustering structure of the chain graph <inline-formula><mml:math id="M201"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> matches the partition <inline-formula><mml:math id="M202"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> via the edge weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub>. In particular, the weights of the edges connecting nodes within the same cluster are chosen i.i.d. according to <inline-formula><mml:math id="M203"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> (i.e., the absolute value of a Gaussian random variable with mean 2 and variance 1/4). The weights of the edges connecting nodes from different clusters are chosen i.i.d. according to <inline-formula><mml:math id="M204"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We then generate a clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] of the form (Equation 4) with coefficients <italic>a</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x02208; {1, 5}, where the coefficients <italic>a</italic><sub><italic>l</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M205"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> of consecutive clusters <inline-formula><mml:math id="M206"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M207"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are different. The graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] is observed via noisy samples <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] (cf. Equation 9 with <inline-formula><mml:math id="M208"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) obtained for the nodes <inline-formula><mml:math id="M209"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belonging to a sampling set <inline-formula><mml:math id="M210"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We consider two different choices for the sampling set, i.e., <inline-formula><mml:math id="M211"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M212"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Both choices contain the same number of nodes, i.e., <inline-formula><mml:math id="M213"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The sampling set <inline-formula><mml:math id="M214"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> contains neighbors of cluster boundaries <inline-formula><mml:math id="M215"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and conforms to Lemma 2 with constants <italic>K</italic> &#x0003D; 5.39 and <italic>L</italic> &#x0003D; 2 (which have been determined numerically). In contrast, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M216"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is obtained by selecting nodes uniformly at random from <inline-formula><mml:math id="M217"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thereby completely ignoring the cluster structure <inline-formula><mml:math id="M218"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M219"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The noisy measurements <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] are then input to an ADMM implementation for solving the nLasso problem (Equation 12) with &#x003BB; &#x0003D; 1/<italic>K</italic>. We run ADMM for a fixed number of 300 iterations and using ADMM-parameter &#x003C1; &#x0003D; 0.01 [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. In Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> we illustrate the recovered graph signals (over the first 100 nodes of the chain graph) <inline-formula><mml:math id="M220"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, obtained from noisy signal samples over either sampling set <inline-formula><mml:math id="M221"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M222"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] along with the recovered graph signals obtained from noisy signal samples set <inline-formula><mml:math id="M223"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Lemma 2) and <inline-formula><mml:math id="M224"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (random).</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0005.tif"/>
</fig>
<p>As evident from Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>, the recovered signal obtained when using the sampling set <inline-formula><mml:math id="M225"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which takes the partition <inline-formula><mml:math id="M226"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> into account, better resembles the original graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] than when using the randomly selected sampling set <inline-formula><mml:math id="M227"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The favorable performance of <inline-formula><mml:math id="M228"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is also reflected in the empirical normalized mean squared errors (NMSE) between the real and recovered graph signals, which are <inline-formula><mml:math id="M229"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M230"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>192</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
<p>We have repeated the above experiment with the same parameters but considering noiseless initial samples <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] for both sampling sets <inline-formula><mml:math id="M231"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M232"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The recovered graph signals <inline-formula><mml:math id="M233"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the first 100 nodes of the chain are presented in Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>. It can be observed that the recovery starting from the sampling set <inline-formula><mml:math id="M234"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (conforming to the partition <inline-formula><mml:math id="M235"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>chain</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>) perfectly resembles the original graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;], as expected according to our upper bound in Equation (19). The NMSE obtained after running ADMM for 300 iterations for solving the nLasso problem (Equation 12) are <inline-formula><mml:math id="M236"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M237"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>475</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] along with the recovered graph signals obtained from noiseless signal samples over sampling set <inline-formula><mml:math id="M238"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Lemma 2) and <inline-formula><mml:math id="M239"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (random). The noiseless signal samples <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] &#x0003D; <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] are marked with dots.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Complex network</title>
<p>In this second experiment, we generate a data graph <inline-formula><mml:math id="M240"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> using the generative model introduced by Lancichinetti et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>], in what follows referred to as LFR model. The LFR model aims at imitating some key characteristics of real-world networks such as power law distributions of node degrees and community sizes. The data graph <inline-formula><mml:math id="M241"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> contains a total of <italic>N</italic> &#x0003D; 10<sup>5</sup> nodes which are partitioned into 1,399 clusters, <inline-formula><mml:math id="M242"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1399</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The nodes <inline-formula><mml:math id="M243"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M244"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are connected by a total of 9.45&#x000B7;10<sup>5</sup> undirected edges <inline-formula><mml:math id="M245"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The edge weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub>, which are also provided by the LFR model, conform to the cluster structure of <inline-formula><mml:math id="M246"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, i.e., inter-cluster edges <inline-formula><mml:math id="M247"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M248"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> have larger weights compared to intra-cluster edges <inline-formula><mml:math id="M249"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M250"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M251"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Given the data graph <inline-formula><mml:math id="M252"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and partition <inline-formula><mml:math id="M253"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> we generate a clustered graph signal according to Equation (4) as <inline-formula><mml:math id="M254"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1399</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with coefficients <italic>a</italic><sub><italic>j</italic></sub> randomly chosen i.i.d. according to a uniform distribution <inline-formula><mml:math id="M255"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We then try to recover the entire graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] by solving the nLasso problem (Equation 12) using noisy measurements <italic>y</italic>[<italic>i</italic>], according to Equation (9) with i.i.d. measurement noise <inline-formula><mml:math id="M256"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, obtained at the nodes in a sampling set <inline-formula><mml:math id="M257"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As in section 4.1, we consider two different choices <inline-formula><mml:math id="M258"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M259"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> for the sampling set which both contain the same number of nodes, i.e., <inline-formula><mml:math id="M260"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The nodes in sampling set <inline-formula><mml:math id="M261"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are selected according to Lemma 2, i.e., by choosing nodes which are well connected (close) to boundary edges <inline-formula><mml:math id="M262"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> which connect different clusters of the partition <inline-formula><mml:math id="M263"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In contrast, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M264"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is constructed by selecting nodes uniformly at random, i.e., the partition <inline-formula><mml:math id="M265"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is not taken into account.</p>
<p>In order to construct the sampling set <inline-formula><mml:math id="M266"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we first sorted the edges <inline-formula><mml:math id="M267"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph <inline-formula><mml:math id="M268"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in ascending order according to their edge weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub>. We then iterate over the the edges according to the list, starting with the edge having smallest weight, and for each edge <inline-formula><mml:math id="M269"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we select the neighboring nodes of <italic>i</italic> and <italic>j</italic> with highest degree and add them to <inline-formula><mml:math id="M270"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, if they are not already included there. This process continues until the sampling set <inline-formula><mml:math id="M271"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> has reached the prescribed size of 10<sup>4</sup>. Using Lemma 2, we then verified numerically that the sampling set <inline-formula><mml:math id="M272"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> resolves <inline-formula><mml:math id="M273"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>lfr</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> with constants <italic>K</italic> &#x0003D; 142.6 and <italic>L</italic> &#x0003D; 2 (cf. Definition 1).</p>
<p>The measurements <italic>y</italic>[<italic>i</italic>] collected for each sampling sets <inline-formula><mml:math id="M274"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M275"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are fed into the ADMM algorithm (using parameters &#x003C1; &#x0003D; 1/100) for solving the nLasso problem (Equation 12) with &#x003BB; &#x0003D; 1/<italic>K</italic>. The evolution of the NMSE achieved by the ADMM output for an increasing number the iterations is shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>. According to Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref> the signal recovered from the sampling set <inline-formula><mml:math id="M276"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> approximates the true graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] more closely compared to when using the sampling set <inline-formula><mml:math id="M277"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The NMSE achieved after 300 iterations of ADMM is <inline-formula><mml:math id="M278"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>56</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M279"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>25</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Evolution of the NMSE achieved by increasing number of nLasso-ADMM iterations when using sampling set <inline-formula><mml:math id="M280"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M281"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0007.tif"/>
</fig>
<p>Finally, we compare the recovery accuracy of nLasso to that of plain label propagation (LP) [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>], which relies on a band-limited signal model (cf. section 2.1). In particular, LP quantifies signal smoothness by the Laplacian quadratic form (Equation 6) instead of the total variation (Equation 1), which underlies nLasso (Equation 12). The signals recovered after running the LP algorithm for 300 iterations for the two sampling sets <inline-formula><mml:math id="M282"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M283"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> incur an NMSE of <inline-formula><mml:math id="M284"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M285"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>NMSE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>43</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, respectively. Thus, the signals recovered using nLasso are more accurate compared to LP, as illustrated in Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>. However, our results indicate that LP also benefits by using the sampling set <inline-formula><mml:math id="M286"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> whose construction is guided by our theoretical findings (cf. Lemma 2).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Evolution of the NMSE achieved by increasing number of nLasso-ADMM iterations and LP iterations. Both algorithms are fed with the same signal samples obtained either over sampling set <inline-formula><mml:math id="M287"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M288"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-03-00028-g0008.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5. Proofs</title>
<p>The high-level idea behind the proof of Theorem 3 is to adapt the concept of compatibility conditions for Lasso type estimators [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. This concept has been championed for analyzing Lasso type methods [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. Our main technical contribution is to verify the compatibility condition for a sampling set <inline-formula><mml:math id="M289"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M290"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> underlying the signal model (Equation 4) (cf. Lemma 6 below).</p>
<sec>
<title>5.1. The network compatibility condition</title>
<p>As an intermediate step toward proving Theorem 3, we adopt the compatibility condition [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>], which has been introduced to analyze Lasso methods for learning sparse signals, to the clustered graph signal model (Equation 4). In particular, we define the network compatibility condition for sampling graph signals with small total variation (cf. Equation 1).</p>
<p><bold>Definition 5</bold>. <italic>Consider a data graph <inline-formula><mml:math id="M291"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whose nodes <inline-formula><mml:math id="M292"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are partitioned into disjoint clusters <inline-formula><mml:math id="M293"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A sampling set <inline-formula><mml:math id="M294"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is said to satisfy the network compatibility condition, with constants K, L &#x0003E;</italic> 0, <italic>if</italic></p>
<disp-formula id="E22"><label>(22)</label><mml:math id="M295"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><italic>for any graph signal</italic> <inline-formula><mml:math id="M296"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>It turns out that any sampling set <inline-formula><mml:math id="M297"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M298"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with constants <italic>K</italic> and <italic>L</italic> (cf. Definition 1) also satisfies the network compatibility condition (Equation 22) with the same constants.</p>
<p><bold>Lemma 6.</bold> <italic>Any sampling set <inline-formula><mml:math id="M299"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M300"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with parameters K, L &#x0003E;</italic> 0 <italic>satisfies the network compatibility condition with parameters K, L</italic>.</p>
<p><italic>Proof</italic>: Let us consider an arbitrary but fixed graph signal <inline-formula><mml:math id="M301"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Since the sampling set <inline-formula><mml:math id="M302"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolves the partition <inline-formula><mml:math id="M303"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there exists a flow <italic>h</italic>[<italic>e</italic>] on <inline-formula><mml:math id="M304"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with (cf. Definition 1)</p>
<disp-formula id="E23"><label>(23)</label><mml:math id="M305"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02209;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02209;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Moreover, due to Equation (15), we have the important identity</p>
<disp-formula id="E24"><label>(24)</label><mml:math id="M306"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which holds for all boundary edges <inline-formula><mml:math id="M307"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This yields, in turn,</p>
<disp-formula id="E25"><label>(25)</label><mml:math id="M308"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>24</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M309"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> = &#x02202;<inline-formula><mml:math id="M336"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>&#x0222A;(<inline-formula><mml:math id="M337"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>\&#x02202;<inline-formula><mml:math id="M338"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), we can develop (Equation 25) as</p>
<disp-formula id="E26"><label>(26)</label><mml:math id="M310"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>23</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which verifies (Equation 22).&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1; </p>
<p>The next result shows that if the sampling set satisfies the network compatibility condition, any solution of the nLasso (Equation 12) allows to accurately recover a clustered graph signal (cf. Equation 4).</p>
<p><bold>Lemma 7</bold>. <italic>Consider a clustered graph signal x[&#x000B7;] of the form (Equation 4) defined on the data graph <inline-formula><mml:math id="M311"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whose nodes <inline-formula><mml:math id="M312"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are partitioned into the clusters <inline-formula><mml:math id="M313"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We observe the noisy signal values y[i] at the sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M314"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Equation 9). If the sampling set <inline-formula><mml:math id="M315"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies the network compatibility condition with constants L &#x0003E;</italic> 1, <italic>K &#x0003E;</italic> 0, <italic>then any solution of the nLasso problem (Equation 12), for the choice &#x003BB;: &#x0003D;</italic> 1<italic>/K, satisfies</italic></p>
<disp-formula id="E27"><label>(27)</label><mml:math id="M316"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><italic>Proof</italic>: Consider a solution <inline-formula><mml:math id="M317"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the nLasso problem (Equation 12) which is different from the true underlying clustered signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] (cf. Equation 4). We must have (cf. Equation 9)</p>
<disp-formula id="E28"><label>(28)</label><mml:math id="M318"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>since otherwise the true underlying signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] would achieve a smaller objective value in Equation (12) which, in turn, would contradict the premise that <inline-formula><mml:math id="M319"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is optimal for the problem (Equation 12).</p>
<p>Let us denote the difference between the solution <inline-formula><mml:math id="M320"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of Equation (12) and the true underlying clustered signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] by <inline-formula><mml:math id="M321"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since <italic>x</italic>[&#x000B7;] satisfies Equation (4),</p>
<disp-formula id="E29"><label>(29)</label><mml:math id="M322"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Applying the decomposition property of the semi-norm || &#x000B7; ||<sub>TV</sub> to Equation (28) yields</p>
<disp-formula id="E30"><label>(30)</label><mml:math id="M323"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Therefore, using Equation (29) and the triangle inequality,</p>
<disp-formula id="E31"><label>(31)</label><mml:math id="M324"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M325"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, Equation (31) yields</p>
<disp-formula id="E32"><label>(32)</label><mml:math id="M326"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>i.e., for sufficiently small measurement noise <italic>e</italic>[<italic>i</italic>], the signal differences of the recovery error <inline-formula><mml:math id="M327"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be concentrated across the edges within the clusters <inline-formula><mml:math id="M328"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Moreover, using</p>
<disp-formula id="E33"><label>(33)</label><mml:math id="M329"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>the inequality Equation (31) becomes</p>
<disp-formula id="E34"><label>(34)</label><mml:math id="M330"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, since the sampling set <inline-formula><mml:math id="M331"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies the network compatibility condition, we can apply Equation (22) to <inline-formula><mml:math id="M332"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yielding</p>
<disp-formula id="E35"><label>(35)</label><mml:math id="M333"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Inserting Equation (35) into Equation (34), with &#x003BB; &#x0003D; 1/<italic>K</italic>, yields</p>
<disp-formula id="E36"><label>(36)</label><mml:math id="M334"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Combining Equations (32) and (36) yields</p>
<disp-formula id="E37"><label>(37)</label><mml:math id="M335"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>32</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x02016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>36</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
</sec>
<sec>
<title>5.2. Proof of theorem 3</title>
<p>Combine Lemma 6 with Lemma 7.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s6">
<title>6. Conclusions</title>
<p>Given a known cluster structure of the data graph, we introduced the notion of resolving sampling sets. A sampling set resolves a cluster structure if there exists a sufficiently large network flow between the sampled nodes, with prescribed flow values over boundary edges which connect different clusters. Loosely speaking, this requires to choose the sampling set mainly in the boundary regions between different clusters in the data graph. Thus, we can leverage efficient clustering methods for identifying the cluster boundary regions in order to find sampling sets which resolve the intrinsic cluster structure of the network structure underlying a dataset.</p>
<p>The verification if a particular sampling set resolves a given partition requires to consider all possible sign patterns for the boundary edges, which is intractable for large graphs. An important avenue for follow-up work is the investigation if resolving sampling sets can be characterized easily using probabilistic models for the underlying network structure and sampling sets. Moreover, we plan to extend our analysis to nLasso methods using other loss functions, e.g., the squared error loss and also the logistic loss function in the context of classification problems.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author note</title>
<p>Parts of the work underlying this paper have been presented in Mara and Jung [<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>]. A preprint of this manuscript is available under <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/1704.02107">https://arxiv.org/abs/1704.02107</ext-link> [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>AJ initiated the research and provided first proofs for the main results. NT helped with proof reading and pointing to some typos in the proofs. AM took care of the numerical experiments.</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>The authors are grateful to Madelon Hulsebos for a careful proof-reading of an early manuscript. Moreover, the constructive comments of reviewers are appreciated sincerely. This manuscript is available as a pre-print at the following address: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/1704.02107">https://arxiv.org/abs/1704.02107</ext-link>. Copyright of this pre-print version rests with the authors.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sandryhaila</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Moura</surname> <given-names>JMF</given-names></name></person-group>. <article-title>Classification via regularization on graphs</article-title>. In <source>2013 IEEE Global Conference on Signal and Information Processing</source>. <publisher-loc>Austin, TX</publisher-loc> (<year>2013</year>). p. <fpage>495</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/GlobalSIP.2013.6736923</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Sandryhaila</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Moura</surname> <given-names>JMF</given-names></name> <name><surname>Kova&#x0010D;evi&#x00107;</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Signal recovery on graphs: variation minimization</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2015</year>) <volume>63</volume>:<fpage>4609</fpage>&#x02013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2015.2441042</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bishop</surname> <given-names>CM</given-names></name></person-group>. <source>Pattern Recognition and Machine Learning</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Chapelle</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Sch&#x000F6;lkopf</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Zien</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group> (eds.). <source>Semi-Supervised Learning</source>. <publisher-loc>Cambridge, MA</publisher-loc>: <publisher-name>The MIT Press</publisher-name> (<year>2006</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.7551/mitpress/9780262033589.001.0001</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhou</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Sch&#x000F6;lkopf</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>A regularization framework for learning from graph data</article-title>. In: <source>ICML Workshop on Statistical Relational Learning and Its Connections to Other Fields</source>, <volume>vol. 15</volume>. <publisher-loc>Banff</publisher-loc> (<year>2004</year>). p. <fpage>67</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gadde</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Anis</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Ortega</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Active semi-supervised learning using sampling theory for graph signals</article-title>. In: <source>Proceedings of the 20th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. KDD &#x00027;14</source> (<year>2014</year>). p. <fpage>492</fpage>&#x02013;<lpage>501</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2623330.2623760</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ando</surname> <given-names>RK</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Learning on graph with laplacian regularization</article-title>. In: <source>Advances in Neural Information Processing Systems</source>. <publisher-loc>Vancouver, BC</publisher-loc> (<year>2007</year>).</citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Belkin</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Niyogi</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Sindhwani</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Manifold regularization: a geometric framework for learning from labeled and unlabeled examples</article-title>. <source>J Mach Lear Res.</source> (<year>2006</year>) <volume>7</volume>:<fpage>2399</fpage>&#x02013;<lpage>434</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sandryhaila</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Moura</surname> <given-names>JMF</given-names></name></person-group>. <article-title>Big data analysis with signal processing on graphs: representation and processing of massive data sets with irregular structure</article-title>. <source>IEEE Signal Process Mag.</source> (<year>2014</year>) <volume>31</volume>:<fpage>80</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MSP.2014.2329213</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shuman</surname> <given-names>DI</given-names></name> <name><surname>Narang</surname> <given-names>SK</given-names></name> <name><surname>Frossard</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Ortega</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Vandergheynst</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>The emerging field of signal processing on graphs: extending high-dimensional data analysis to networks and other irregular domains</article-title>. <source>IEEE Signal Process Mag</source>. (<year>2013</year>) <volume>30</volume>:<fpage>83</fpage>&#x02013;<lpage>98</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MSP.2012.2235192</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Narang</surname> <given-names>SK</given-names></name> <name><surname>Gadde</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Ortega</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Signal processing techniques for interpolation in graph structured data</article-title>. In: <source>2013 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing</source> (<year>2013</year>). p. <fpage>5445</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICASSP.2013.6638704</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hallac</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Leskovec</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Boyd</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Network Lasso: clustering and optimization in large graphs</article-title>. In: <source>Proceedings of SIGKDD</source> (<year>2015</year>). p. <fpage>387</fpage>&#x02013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2783258.2783313</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hastie</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Tibshirani</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Friedman</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>The Elements of Statistical Learning</source>. <publisher-name>Springer</publisher-name> Series in Statistics. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2001</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hastie</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Tibshirani</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Wainwright</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <source>Statistical Learning with Sparsity. The Lasso and its Generalizations</source>. <publisher-loc>Boca Raton FL</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name> (<year>2015</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yamada</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Koh</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Iwata</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Shawe-Taylor</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Kaski</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Localized lasso for high-dimensional regression</article-title>. In: <source>Proceedings of the 20th International Conference on Artificial Intelligence and Statistics.</source> <publisher-loc>Fort Laud-erdale, FL</publisher-loc> (<year>2017</year>). p. <fpage>325</fpage>&#x02013;<lpage>33</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boyd</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Parikh</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Chu</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Peleato</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Eckstein</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>Distributed Optimization and Statistical Learning via the Alternating Direction Method of Multipliers. vol. 3 of Foundations and Trends in Machine Learning</source>. <publisher-loc>Hanover, MA</publisher-loc>: <publisher-name>Now Publishers</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Romero</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Giannakis</surname> <given-names>GB</given-names></name></person-group>. <article-title>Kernel-based reconstruction of graph signals</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2017</year>) <volume>65</volume>:<fpage>764</fpage>&#x02013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2016.2620116</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tsitsvero</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Barbarossa</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Lorenzo</surname> <given-names>PD</given-names></name></person-group>. <article-title>Signals on graphs: uncertainty principle and sampling</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2016</year>) <volume>64</volume>:<fpage>4845</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2016.2573748</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Varma</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Sandryhaila</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Kova&#x0010D;evi&#x00107;</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Discrete signal processing on graphs: sampling theory</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process</source>. (<year>2015</year>) <volume>63</volume>:<fpage>6510</fpage>&#x02013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2015.2469645</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Varma</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Singh</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Kova&#x0010D;evi&#x00107;</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Signal recovery on graphs: fundamental limits of sampling strategies</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Inform Process Over Netw</source>. (<year>2016</year>) <volume>2</volume>:<fpage>539</fpage>&#x02013;<lpage>54</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSIPN.2016.2614903</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Segarra</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Marques</surname> <given-names>AG</given-names></name> <name><surname>Leus</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Ribeiro</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Reconstruction of graph signals through percolation from seeding nodes</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2016</year>) <volume>64</volume>:<fpage>4363</fpage>&#x02013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2016.2552510</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Gu</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Local-set-based graph signal reconstruction</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2015</year>) <volume>63</volume>:<fpage>2432</fpage>&#x02013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2015.2411217</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sharpnack</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Rinaldo</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Singh</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <source>Sparsistency of the Edge Lasso over Graphs</source>. <publisher-loc>AIStats (JMLR WCP). La Palma</publisher-loc> (<year>2012</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>YX</given-names></name> <name><surname>Sharpnack</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Smola</surname> <given-names>AJ</given-names></name> <name><surname>Tibshirani</surname> <given-names>RJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Trend filtering on graphs</article-title>. <source>J Mach Lear Res.</source> (<year>2016</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>41</lpage>. Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://jmlr.org/papers/v17/15-147.html">http://jmlr.org/papers/v17/15-147.html</ext-link></citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Golub</surname> <given-names>GH</given-names></name> <name><surname>Van Loan</surname> <given-names>CF</given-names></name></person-group>. <source>Matrix Computations</source>. <source>3rd Edn.</source> <publisher-loc>Baltimore, MD</publisher-loc>: <publisher-name>Johns Hopkins University Press</publisher-name> (<year>1996</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goodfellow</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Bengio</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Courville</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <source>Deep Learning</source>. <publisher-loc>Cambridge, MA</publisher-loc>: <publisher-name>MIT Press</publisher-name> (<year>2016</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Cui</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Hero</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Luo</surname> <given-names>ZQ</given-names></name> <name><surname>Moura</surname> <given-names>JMF</given-names></name></person-group> (eds.). <source>Big Data Over Networks</source>. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2016</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhu</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Rabbat</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Graph spectral compressed sensing for sensor networks</article-title>. In: <source>Proceedings of IEEE ICASSP 2012</source>. <publisher-loc>Kyoto</publisher-loc> (<year>2012</year>). p. <fpage>2865</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Newman</surname> <given-names>MEJ</given-names></name></person-group>. <source>Networks: An Introduction</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mossel</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Neeman</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Sly</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Stochastic block models and reconstruction</article-title>. ArXiv e-prints. (<year>2012</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bapat</surname> <given-names>RB</given-names></name></person-group>. <source>Graphs and Matrices</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name> (<year>2014</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>B&#x000FC;hlmann</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>van de Geer</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <source>Statistics for High-Dimensional Data</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2011</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chambolle</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Pock</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>An introduction to continuous optimization for imaging</article-title>. <source>Acta Numer.</source> (<year>2016</year>) <volume>25</volume>:<fpage>161</fpage>&#x02013;<lpage>319</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S096249291600009X</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Agarwal</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Negahban</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Wainwright</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Fast global convergence of gradient methods for high-dimensional statistical recovery</article-title>. <source>Ann Stat.</source> (<year>2012</year>) <volume>40</volume>:<fpage>2452</fpage>&#x02013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1214/12-AOS1032</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boyd</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Vandenberghe</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <source>Convex Optimization</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2004</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhu</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>An augmented ADMM algorithm with application to the generalized lasso problem</article-title>. <source>J Comput Graph Stat</source>. (<year>2017</year>) <volume>26</volume>:<fpage>195</fpage>&#x02013;<lpage>204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/10618600.2015.1114491</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kleinberg</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Tardos</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <source>Algorithm Design</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Addison Wesley</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Spielman</surname> <given-names>DA</given-names></name> <name><surname>hua Teng</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>A local clustering algorithm for massive graphs and its application to nearly-linear time graph partitioning</article-title>. arXiv:0809.3232 (<year>2008</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Basirian</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Random walk sampling for big data over networks</article-title>. In: <source>Proceedings of International Conference on Sampling Theory and Applications</source>. <publisher-loc>Tallinn</publisher-loc> (<year>2017</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lancichinetti</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Fortunato</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Radicchi</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>Benchmark graphs for testing community detection algorithms</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2008</year>) <bold>78</bold>:046110. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.78.046110</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhu</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Ghahramani</surname> <given-names>Z</given-names></name></person-group>. <source>Learning from Labeled and Unlabeled Data with Label Propagation</source>. <publisher-name>Technical Report CMU-CALD-02-107, Carnegie Mellon University</publisher-name> (<year>2002</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>van de Geer</surname> <given-names>SA</given-names></name> <name><surname>B&#x000FC;hlmann</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>On the conditions used to prove oracle results for the Lasso</article-title>. <source>Electron J Stat.</source> (<year>2009</year>) <volume>3</volume>:<fpage>1360</fpage>&#x02013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1214/09-EJS506</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mara</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Recovery conditions and sampling strategies for network lasso</article-title>. In: <source>Proceedings of 51st Asilomar Conference Signals, Systems, Computers</source>. <publisher-name>Pacific Grove, CA</publisher-name> (<year>2017</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Tran</surname> <given-names>NQ</given-names></name> <name><surname>Mara</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>When is network lasso accurate? arXiv:170402107</article-title> (<year>2017</year>).</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>