<?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.2018.00009</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>The Network Nullspace Property for Compressed Sensing of Big Data Over Networks</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="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/380676/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Hulsebos</surname> <given-names>Madelon</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/514115/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Computer Science, Aalto University</institution>, <addr-line>Otakaari</addr-line>, <country>Finland</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Computer Science, Delft University of Technology</institution>, <addr-line>Delft</addr-line>, <country>Netherlands</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Yiming Ying, University at Albany, United States</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Junhong Lin, &#x000C9;cole Polytechnique F&#x000E9;d&#x000E9;rale de Lausanne, Switzerland; Guohui Song, Clarkson University, United States</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Alexander Jung <email>alexander.jung&#x00040;aalto.fi</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><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>15</day>
<month>05</month>
<year>2018</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2018</year>
</pub-date>
<volume>4</volume>
<elocation-id>9</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>03</day>
<month>11</month>
<year>2017</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>10</day>
<month>04</month>
<year>2018</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2018 Jung and Hulsebos.</copyright-statement>
<copyright-year>2018</copyright-year>
<copyright-holder>Jung and Hulsebos</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) and the copyright owner 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>We present a novel condition, which we term the network nullspace property, which ensures accurate recovery of graph signals representing massive network-structured datasets from few signal values. The network nullspace property couples the cluster structure of the underlying network-structure with the geometry of the sampling set. Our results can be used to design efficient sampling strategies based on the network topology.</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-group>
<counts>
<fig-count count="3"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="20"/>
<ref-count count="30"/>
<page-count count="7"/>
<word-count count="4990"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>A recent line of work proposed efficient convex optimization methods for recovering graph signals which represent label information of network structured datasets (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]). These methods rest on the hypothesis that the true underlying graph signal is nearly constant over well-connected subsets of nodes (clusters).</p>
<p>In this paper, we introduce a novel recovery condition, termed the network nullspace property (NNSP), which guarantees convex optimization to accurately recovery of clustered (&#x0201C;piece-wise constant&#x0201D;) graph signals from knowledge of its values on a small subset of sampled nodes. The NNSP couples the clustering structure of the underlying data graph to the locations of the sampled nodes via interpreting the underlying graph as a flow network.</p>
<p>The presented results apply to an arbitrary partitioning, but are most useful for a partitioning such that nodes in the same cluster are connected with edges of relatively large weights, whereas edges between clusters have low weights. Our analysis reveals that if cluster boundaries are well-connected (in a sense made precise) to the sampled nodes, then accurate recovery of clustered graph signals is possible by solving a convex optimization problem.</p>
<p>Most of the existing work on graph signal processing applies spectral graph theory to define a notion of band-limited graph signals, e.g., based on principal subspaces of the graph Laplacian matrix, as well as sufficient conditions for recoverability, i.e., sampling theorems, for those signals [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. In contrast, our approach does not rely on spectral graph theory, but involves structural (connectivity) properties of the underlying data graph. Moreover, we consider signal models which amount to clustered (piece-wise constant) graph signals. These models, which have also been used in Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] for approximating graph signals arising in various applications.</p>
<p>The closest to our work is [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], which provide sufficient conditions such that a variant of the Lasso method (network Lasso) accurately recovers clustered graph signals from noisy observations. However, in contrast to this line of work, we assume the graph signal values are only observed on a small subset of nodes.</p>
<p>The NNSP is closely related to the network compatibility (NCC) condition, which has been introduced by a subset of the authors in Jung et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] for analyzing the accuracy of network Lasso. The NCC is a stronger condition in the sense that once the NCC is satisfied, the NNSP is also guaranteed to hold.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. Problem formulation</title>
<p>Many important applications involve massive heterogeneous datasets comprised heterogeneous data chunks, e.g., mixtures of audio, video and text data [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. Moreover, datasets typically contain mostly unlabeled data points; only a small fraction is labeled data. An efficient strategy to handle such heterogenous datasets is to organize them as a network or data graph whose nodes represent individual data points.</p>
<sec>
<title>2.1. Graph signal representation of data</title>
<p>In what follows we consider datasets which are represented by a weighted data graph <inline-formula><mml:math id="M1"><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 nodes <inline-formula><mml:math id="M2"><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>, each node representing an individual data point. These nodes are connected by edges <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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>. In particular, given some application-specific notion of similarity, the edges of the data graph <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connect similar data points <inline-formula><mml:math id="M5"><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> by an edge <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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>. In some applications it is possible to quantify the extent to which data points are similar, e.g., via the distance between sensors in a wireless sensor network [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Given two similar data points <inline-formula><mml:math id="M7"><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>, we quantify the strength of their connection <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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> by a non-negative edge weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x02265; 0 which we collect in the symmetric weight matrix <inline-formula><mml:math id="M9"><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>.</p>
<p>In what follows we will silently assume that the data graph <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is oriented by declaring for each edge <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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> one node as the head <italic>e</italic><sup>&#x0002B;</sup> and the other node as the tail <italic>e</italic><sup>&#x02212;</sup>. For the oriented data graph we define the directed neighborhoods of a node <inline-formula><mml:math id="M12"><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> as <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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">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:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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">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:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We highlight that the orientation of the data graph <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not related to any intrinsic property of the underlying data set. In particular, the weight matrix <bold>W</bold> is symmetric since the weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> are associated with undirected edges <inline-formula><mml:math id="M16"><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>. However, using an (arbitrary but fixed) orientation of the data graph will be notationally convenient in order to formulate our main results.</p>
<p>Beside the edges structure <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, network-structured datasets typically also carry label information which induces a graph signal defined over <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We define a graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] over the graph <inline-formula><mml:math id="M19"><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> as a mapping <inline-formula><mml:math id="M20"><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 (labels) every node <inline-formula><mml:math id="M21"><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;. In 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. We denote the space of all graph signals, which is also known as the vertex space (cf.[<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]), by <inline-formula><mml:math id="M22"><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>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Graph signal recovery</title>
<p>We aim at recovering (learning) a graph signal <inline-formula><mml:math id="M23"><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> defined over the data graph <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, from observing its values <inline-formula><mml:math id="M25"><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: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> on a (small) sampling set <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></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:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where typically <italic>M</italic> &#x0226A; <italic>N</italic>.</p>
<p>The recovery of the entire graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] from the incomplete information provided by the signal samples <inline-formula><mml:math id="M27"><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: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> is possible under a clustering assumption, which is also underlying many supervised machine learning methods [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. This assumption requires the signal values or labels of data points which are close, with respect to the data graph topology, to be similar. More formally, we expect the underlying graph signal <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><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> to have a relatively small <italic>total variation</italic> (TV)</p>
<disp-formula id="E1"><mml:math id="M29"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><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>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><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:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The total variation of the graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] obtained over a subset <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> of edges is denoted <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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">S</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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mo>-</mml:mo><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:math></inline-formula>.</p>
<p>Some well-known examples of clustered graph signals include low-pass signals in digital signal processing where time samples at adjacent time instants are strongly correlated and close-by pixels in images tend to be colored likely. The class of graph signals with a small total variation are sparse in the sense of changing significantly over few edges only. In particular, if we stack the signal differences <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] &#x02212; <italic>x</italic>[<italic>j</italic>] (across the edges <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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>) into a big vector of size <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, then this vector is sparse in the ordinary sense of having only few significantly large entries [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>].</p>
<p>In order to recover a signal with small TV ||<italic>x</italic>[&#x000B7;]||<sub>TV</sub>, from its signal values <inline-formula><mml:math id="M34"><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: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>, a natural strategy is:</p>
<disp-formula id="E2"><label>(1)</label><mml:math id="M35"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">arg&#x000A0;min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#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>&#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:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#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:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">s.t.</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#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: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:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>There exist highly efficient methods for solving convex optimization problems of the form (1) (cf.[<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] and the references therein).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Recovery conditions</title>
<p>The accuracy of any learning method which is based on solving (1) depends on the deviations between the solutions <inline-formula><mml:math id="M36"><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 optimization problem (1) and the true underlying graph signal <inline-formula><mml:math id="M37"><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 introduce the NNSP as a sufficient condition on the sampling set and graph topology such that any solution <inline-formula><mml:math id="M38"><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 (1) accurately resembles an underlying clustered (piece-wise constant) graph signal of the form (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>])</p>
<disp-formula id="E3"><label>(2)</label><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><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:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></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:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;with&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></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:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">else.&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The signal model (2) is defined using a fixed partition <inline-formula><mml:math id="M40"><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 entire data graph <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into disjoint clusters <inline-formula><mml:math id="M42"><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>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The signal model (2) has been studied in Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], where it was demonstrated that it allows, compared to band-limited graph signal models, for more accurate approximation of datasets obtained from weather stations.</p>
<p>While our analysis applies to an arbitrary partition <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, our results are most useful for partitions where the nodes within clusters <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:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are connected by many edges with large weight, while nodes of different clusters are loosely connected by few edges with small weights. Such reasonable partitions can be obtained by one of the recently proposed highly scalable clustering methods, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>].</p>
<p>We highlight that the knowledge of the partition <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> underlying the signal model (2) is only required for the analysis of signal recovery methods (such as sparse label propagation [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]), which are based on solving the recovery problem (1), However, the partition is not required for the actual implementation of those methods, as the recovery problem (1) itself does not involve the partition.</p>
<p>We will characterize a partition <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by its boundary</p>
<disp-formula id="E4"><label>(3)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><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: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: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: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:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;with</mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><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:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which is the set of edges connecting nodes from different clusters. We highlight that the recovery problem (1) not require knowledge of the partition <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec>
<title>3.1. Network nullspace property</title>
<p>Consider a clustered graph signal <inline-formula><mml:math id="M49"><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> of the form (2). We observe its values <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] at the sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M50"><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> only. In order to have any chance for recovering the complete signal only from the samples <inline-formula><mml:math id="M51"><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: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> we have to restrict the nullspace of the sampling set, which we define as</p>
<disp-formula id="E5"><label>(4)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></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: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>&#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:mo>:</mml:mo><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:mn>0</mml:mn><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext><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:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the nullspace <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains exactly those graph signals which vanish at all nodes of the sampling set <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Clearly, we have no chance in recovering any signal <inline-formula><mml:math id="M55"><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 belongs to the nullspace <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as it cannot be distinguished from the all-zero signal <inline-formula><mml:math id="M57"><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:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, for all nodes <inline-formula><mml:math id="M58"><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>, which result in exactly the same (vanishing) measurements <inline-formula><mml:math id="M59"><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: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:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><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>.</p>
<p>In order to define the NNSP, we need the notion of a <italic>flow with demands</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>].</p>
<p><italic><bold>Definition 1</bold></italic>. <italic>Given a graph</italic> <inline-formula><mml:math id="M61"><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>, <italic>a flow with demands g</italic>[<italic>i</italic>] &#x02208; &#x0211D;, <italic>for</italic> <inline-formula><mml:math id="M62"><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>, <italic>is a mapping</italic> <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mi>f</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">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>satisfying the conservation law</italic></p>
<disp-formula id="E6"><label>(5)</label><mml:math id="M64"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><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:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><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:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>at every node</italic> <inline-formula><mml:math id="M65"><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>.</p>
<p>For a more detailed discussion of the concept of network flows, we refer to [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. In this paper, we use the concept of network flows in order to characterize the connectivity properties or topology of a data graph <inline-formula><mml:math id="M66"><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 interpreting the edge weights <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> as capacity constraints that limit the amount of flow along the edge <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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>.</p>
<p>In particular, the notion of network flows with demands allows to adapt the nullspace property, introduced within the theory of compressed sensing [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] for sparse signals, to the problem of recovering clustered graph signals (cf. (2)).</p>
<p><italic><bold>Definition 2</bold></italic>. <italic>Consider a partition</italic> <inline-formula><mml:math id="M68"><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> <italic>of pairwise disjoint subsets of nodes (clusters)</italic> <inline-formula><mml:math id="M69"><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>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>and a set of sampled nodes</italic> <inline-formula><mml:math id="M70"><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>. <italic>The sampling set</italic> <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>is said to satisfy the NNSP relative to the partition</italic> <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>denoted NNSP</italic>-<inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>if for any signature</italic> <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <italic>which assigns the sign</italic> &#x003C3;<sub><italic>e</italic></sub> <italic>to a boundary edge</italic> <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mi>e</mml:mi><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>there is a flow f</italic>[<italic>e</italic>]</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p><italic>with demands g</italic>[<italic>i</italic>] &#x0003D; 0, <italic>for</italic> <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02209;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p></list-item>
<list-item><p><italic>its values satisfy</italic></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M77"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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>e</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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>e</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>It turns out that a sampling set <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies NNSP-<inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a given partition <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the data graph, then the nullspace <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. (4)) of the sampling set cannot contain a non-zero clustered graph signal of the form (2).</p>
<p>A naive verification of the NNSP involves a search over all signatures, whose number is around <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which might be intractable for large data graphs. However, similar to many results in compressed sensing, we expect using probabilistic models for the data graph to render the verification of NNSP tractable [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. In particular, we expect that probabilistic statements about how likely the NNSP is satisfied for random data graphs (e.g., conforming to a stochastic block model) can be obtained easily.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Exact recovery of clustered signals</title>
<p>Now we are ready to state our main result, i.e., the NNSP ensures the solution (1) to be unique and to coincide with the true underlying clustered graph signal of the form (2).</p>
<p><bold>Theorem 3</bold>. <italic>Consider a clustered graph signal <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. (2)) which is observed only at the sampling set <inline-formula><mml:math id="M85"><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 the sampling set <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies NNSP-<inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the solution of (1) is unique and coincides with <italic>x</italic><sub><italic>c</italic></sub></italic>[&#x000B7;].</p>
<p><italic>Proof: see Appendix</italic>.</p>
<p>Thus, if we sample a clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] (cf. (2)) on a sampling set which satisfies NNSP-<inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can expect convex recovery algorithms, which are based on solving (1) to accurately recover the true underlying graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;].</p>
<p><bold>A partial converse</bold>. The recovery condition provided by Theorem 3 is essentially tight, i.e., if the sampling set does not satisfy NNSP-<inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then they are solutions to (1) which are different from the true underlying clustered graph signal.</p>
<p>Consider a clustered graph signal</p>
<disp-formula id="E9"><label>(7)</label><mml:math id="M90"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></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:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><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:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><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:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>defined over a chain graph <inline-formula><mml:math id="M91"><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> containing an even number <italic>N</italic> of nodes (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>). We partition the graph into two equal-sized clusters <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</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: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> with <inline-formula><mml:math id="M93"><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: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:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M94"><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:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</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:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The edges within clusters are connected by edges with unit weight, while the single edge {<italic>N</italic>/2, <italic>N</italic>/2&#x0002B;1} connecting the two clusters has weight 1/&#x003B4;. Let us assume that we sample the graph signal <italic>x</italic><sub>c</sub>[<italic>i</italic>] on the sampling set <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>A clustered graph signal <inline-formula><mml:math id="M101"><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. (2)) defined over a chain graph <inline-formula><mml:math id="M102"><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> which is partitioned into two equal-size clusters <inline-formula><mml:math id="M103"><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="M104"><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/&#x003B4;.</p></caption>
<graphic xlink:href="fams-04-00009-g0001.tif"/>
</fig>
<p>For any &#x003B4; &#x0003E; 1, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> satisfies the NNSP-<inline-formula><mml:math id="M97"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> with &#x003BA; &#x0003D; &#x003B4; &#x0003E; 1 (cf. (6)). Thus, as long as the boundary edge has weight 1/&#x003B4; with &#x003B4; &#x0003E; 1, Theorem 3 guarantees that the true clustered graph signal <italic>x</italic><sub>c</sub>[<italic>i</italic>] can be perfectly recovered via solving (1).</p>
<p>If, on the other hand, the weight of the boundary edge is 1/&#x003B4; with some &#x003B4; &#x02264; 1, then the sampling set <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> does not satisfy the NNSP-<inline-formula><mml:math id="M99"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In this case, as can be verified easily, the true graph signal <italic>x</italic><sub>c</sub>[<italic>i</italic>] is not the unique solution to (1) anymore. Indeed, for &#x003B4; &#x02264; 1 it can be shown that the graph signal (7) has a TV norm at least as large as the graph signal <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><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>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which linearly interpolates between the sampled signal values <italic>x</italic><sub>c</sub>[1] and <italic>x</italic><sub>c</sub>[<italic>N</italic>].</p>
</sec>
<sec>
<title>3.3. Recovery of approximately clustered signals</title>
<p>The scope of Theorem 3 is somewhat limited as it applies only to graph signals which are precisely of the form (2). We now state a more general result applying to any graph signal <inline-formula><mml:math id="M105"><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>.</p>
<p><bold>Theorem 4</bold>. <italic>Consider a graph signal <inline-formula><mml:math id="M106"><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> which is observed only at 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>. If NNSP-<inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds with &#x003BA; &#x0003D; 2 in (6), any solution <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> of (1) satisfies (cf. (2))</italic></p>
<disp-formula id="E10"><label>(8)</label><mml:math id="M110"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></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:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><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:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><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:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><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>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>Proof: see Appendix</italic>.</p>
<p>Thus, as long as the underlying graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] can be well approximated by a clustered signal of the form (2), any solution <inline-formula><mml:math id="M111"><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 (1) is a graph signal which varies significantly only over the boundary edges <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We highlight that the error bound (8) only controls the TV (semi-)norm of the error signal <inline-formula><mml:math id="M113"><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>. In particular, this bound does not directly allow to quantify the size of the global mean squared error <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></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>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</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>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: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>. However, the bound (8) allows to characterize identifiability of the underlying partition <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Indeed, if the signal values <inline-formula><mml:math id="M116"><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> in (2) satisfy <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><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>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><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:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</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 class="qopname">^</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>, we can read off the cluster boundaries from the signal differences <inline-formula><mml:math id="M118"><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:math></inline-formula> (over edges <inline-formula><mml:math id="M119"><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>).</p>
<p>One particular use of Theorems 3, 4 is to guide the choice for the sampling set <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In particular, one should aim at sampling nodes such that the NNSP is likely to be satisfied. According to the definition of the NNSP, we should sample nodes which are well connected (in the sense of allowing for a large flow) to the boundary edges which connect different clusters. This approach has been studied empirically in [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>], verifying accurate recovery by efficient convex optimization methods using sampling sets which satisfy the NNSP (cf. Definition 2) with high probability.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Numerical experiments</title>
<p>We now verify the practical relevance of our theoretical findings by means of two numerical experiments. The first experiment is based on a synthetic data set whose underlying data graph is a chain graph <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">chain</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. A second experiment revolves around a real-world data set describing the roadmap of Minnesota [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>].</p>
<sec>
<title>4.1. Chain graph</title>
<p>We generated a synthetic data set whose data graph is a chain graph <inline-formula><mml:math id="M122"><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>. This chain graph contains <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula> nodes which are connected by <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>99</mml:mn></mml:math></inline-formula> undirected edges {<italic>i, i</italic> &#x0002B; 1}, for <italic>i</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, 99} and partitioned into <inline-formula><mml:math id="M125"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math></inline-formula> equal-size clusters <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><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:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, each cluster containing 10 consecutive nodes. The edges connecting nodes in the same cluster have weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 4, while those connecting different clusters have weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 2. For this data graph we generated a clustered graph signal <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] of the form with alternating coefficients <italic>a</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x02208; {1, 5}.</p>
<p>The graph signal <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] is observed only at the nodes belonging to a sampling set, which is either <inline-formula><mml:math id="M129"><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="M130"><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 sampling set <inline-formula><mml:math id="M131"><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 exactly one node from each cluster <inline-formula><mml:math id="M132"><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 thus, as can be verified easily, satisfies the NNSP (cf. Definition 2). While having the same size as <inline-formula><mml:math id="M133"><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>, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M134"><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> does not contain any node of clusters <inline-formula><mml:math id="M135"><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> and <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>In Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>, we illustrate the recovered signals obtained by solving (1) using the sparse label propagation (SLP) algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], which is fed with signal values on the sampling set (being either <inline-formula><mml:math id="M137"><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="M138"><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 signal recovered from the sampling set <inline-formula><mml:math id="M139"><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 satisfies the NNSP, closely resembles the true underlying clustered graph signal. In contrast, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M140"><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>, which does not satisfy the NNSP, results in a recovered signal which significantly deviates from the true signal.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Clustered graph signal <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] along with the recovered signals obtained from sampling sets <inline-formula><mml:math id="M127"><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="M128"><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></caption>
<graphic xlink:href="fams-04-00009-g0002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Minnesota roadmap</title>
<p>The second data set, with associated data graph <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, represents the roadmap of Minnesota [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. The data graph <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> consists of <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2642</mml:mn></mml:math></inline-formula> nodes, and <inline-formula><mml:math id="M146"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3303</mml:mn></mml:math></inline-formula> edges. We generate a clustered graph signal defined over <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> by randomly selecting three different nodes {<italic>i</italic><sub>1</sub>, <italic>i</italic><sub>2</sub>, <italic>i</italic><sub>3</sub>} which are declared as &#x0201C;cluster centres&#x0201D; of the clusters <inline-formula><mml:math id="M148"><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: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>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The remaining nodes <inline-formula><mml:math id="M149"><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:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are then associated to the cluster whose center is nearest in the sense of smallest geodesic distance. The edges connecting nodes within the same cluster have weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 4, and those connecting different clusters have weight <italic>W</italic><sub><italic>i, j</italic></sub> &#x0003D; 2.</p>
<p>We use SLP to recover the entire graph signal from its values obtained for the nodes in a sampling set. Two different choices <inline-formula><mml:math id="M150"><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="M151"><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 are considered: The sampling set <inline-formula><mml:math id="M152"><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 based on the NNSP and consists of all nodes which are adjacent to the boundary edges between two different clusters. In contrast, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M153"><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 uniformly at random a total of <inline-formula><mml:math id="M154"><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:math></inline-formula> nodes from <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, i.e., we ensure <inline-formula><mml:math id="M156"><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:math></inline-formula>.</p>
<p>The resulting MSE is 0.0023 for the sampling set <inline-formula><mml:math id="M157"><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 with NNSP), while the recovery using the random sampling set <inline-formula><mml:math id="M158"><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> incurred an average (over 100 i.i.d. simulation runs) MSE of 0.0502. In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>, we depict the recovered graph signals using signal samples from either <inline-formula><mml:math id="M159"><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="M160"><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> (one typical realization). Evidently, the recovery using the sampling set <inline-formula><mml:math id="M161"><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 is guided by the NNSP) results in a more accurate recovery compared to using the random sampling set <inline-formula><mml:math id="M162"><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="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>True graph signal <bold>(A)</bold> and recovered signals for the Minnesota roadmap data set obtained <bold>(B)</bold> when using sampling set <inline-formula><mml:math id="M141"><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>, <bold>(C)</bold> or sampling set <inline-formula><mml:math id="M142"><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></caption>
<graphic xlink:href="fams-04-00009-g0003.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s5">
<title>5. Conclusions</title>
<p>We considered the problem of recovering clustered graph signals, defined over complex networks, from observing its signal values on a small set of sampled nodes.</p>
<p>By applying tools from compressed sensing, we introduced the NNSP as a sufficient condition on the graph topology and sampling set such that a convex recovery method is accurate. This recovery condition is based on the connectivity properties of the underlying network. In particular, it requires the existence of certain network flows with the edge weights of the data graph being interpreted as capacities.</p>
<p>The NNSP involves both, the sampling set and the cluster structure of the data graph. Roughly speaking it requires to sample more densely near the boundaries between different clusters. This intuition has be verified by means of numerical experiments on synthetic and real-world datasets.</p>
<p>Our work opens up several avenues for future research. In particular, it would be interesting to analyze how likely the NNSP holds for certain random network models and sampling strategies. The tightness of the resulting recovery guarantees could then be contrasted with fundamental lower bounds obtained from an information-theoretic approach to minimax-estimation. Moreover, we would like to study variations of the SLP recovery method which are more suitable for classification problems.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>AJ: Designing research. Deriving main theoretical results. Writing paper. MH: Numerical experiments. Proofreading paper.</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>Parts of the material underlying this work has been presented in Jung et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. However, this paper significantly extends [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] by providing detailed proofs as well as extended discussions of the main results. This manuscript is available as a pre-print [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] at the following address: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/1705.04379">https://arxiv.org/abs/1705.04379</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>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Berger</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Hannak</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Matz</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Scalable graph signal recovery for big data over networks</article-title>. In: <source>Proceeddings of IEEE-SP Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC)</source>. <publisher-loc>Edinburgh</publisher-loc> (<year>2016</year>).</citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hannak</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Berger</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Matz</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Efficient graph signal recovery over big networks</article-title>. In: <source>Proceedings of Asilomar Conference Signals, Systems, Computers</source>. <publisher-loc>Pacific Grove, CA</publisher-loc> (<year>2016</year>). p. <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Marques</surname> <given-names>AG</given-names></name> <name><surname>Segarra</surname> <given-names>S</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>Sampling of graph signals with successive local aggregation</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process.</source> (<year>2016</year>) <volume>64</volume>:<fpage>1832</fpage>&#x02013;<lpage>43</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2015.2507546</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</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="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="book"><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>Representations of piecewise smooth signals on graphs</article-title>. In: <source>Proceedings of IEEE ICASSP 2016</source>. <publisher-loc>Shanghai</publisher-loc> (<year>2016</year>).</citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</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>. <article-title>Sparsistency of the edge lasso over graphs</article-title>. In: <source>Proceedings 15th International Conference on Artificial Intelligence and Statistics (AISTATS)</source>. <publisher-loc>La Palma</publisher-loc> (<year>2012</year>).</citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>Y-X</given-names></name> <name><surname>Sharpnack</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Smola</surname> <given-names>A J</given-names></name> <name><surname>Tibshirani</surname> <given-names>R J</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>120</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</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>N</given-names></name> <name><surname>Mara</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>When is network lasso accurate?</article-title> <source>Front Appl Math Stat.</source> (<year>2018</year>) <volume>3</volume>:<fpage>28</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2017.00028</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><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>J</given-names></name></person-group> editors. <source>Big Data over Networks</source>. <publisher-loc>La Palma</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2016</year>).</citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhao</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Guibas</surname> <given-names>LJ</given-names></name></person-group>. <source>Wireless Sensor Networks: An Information Processing Approach</source>. <publisher-loc>Amsterdam</publisher-loc>: <publisher-name>Morgan Kaufmann</publisher-name> (<year>2004</year>).</citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Diestel</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <source>Graph Theory</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2000</year>).</citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</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> editors. <source>Semi-Supervised Learning</source>. <publisher-loc>Cambridge, MA</publisher-loc>: <publisher-name>The MIT Press</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Donoho</surname> <given-names>DL</given-names></name></person-group>. <article-title>Compressed sensing</article-title>. <source>IEEE Trans Inf Theory</source> (<year>2006</year>) <volume>52</volume>:<fpage>1289</fpage>&#x02013;<lpage>306</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIT.2006.871582</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</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="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Hero</surname> <given-names>AO</given-names> <suffix>III</suffix></name> <name><surname>Mara</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Jahromi</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Semi-supervised learning via sparse label propagation</article-title>. <source>arXiv</source> (<year>2017</year>) <fpage>315</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>. Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/1612.01414">https://arxiv.org/abs/1612.01414</ext-link></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><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>A first-order primal-dual algorithm for convex problems with applications to imaging</article-title>. <source>J Math Imaging Vis.</source> (<year>2011</year>) <volume>40</volume>:<fpage>120</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10851-010-0251-1</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Spielman</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Teng</surname> <given-names>S-H</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>. <source>SIAM J Comput.</source> (<year>2013</year>) <volume>42</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>26</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/080744888</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fortunato</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Community detection in graphs</article-title>. <source>Phys Rep.</source> (<year>2010</year>) <volume>486</volume>:<fpage>75</fpage>&#x02013;<lpage>174</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2009.11.002</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</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="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Foucart</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Rauhut</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <source>A Mathematical Introduction to Compressive Sensing</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2012</year>).</citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Eldar</surname> <given-names>YC</given-names></name></person-group>. <source>Sampling Theory - Beyond Bandlimited Systems</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2015</year>).</citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</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 Asilomar Conference Signals, Systems, Computers</source>. <publisher-loc>Pacific Grove, CA</publisher-loc> (<year>2017</year>).</citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</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 (SampTA)</source>. <publisher-loc>Tallinn</publisher-loc> (<year>2017</year>). p. <fpage>427</fpage>&#x02013;<lpage>431</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gleich</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <source>MatlabBGL - A Matlab Graph Library</source> <publisher-loc>Cambridge, MA</publisher-loc>: <publisher-name>The MIT Press</publisher-name> (<year>2007</year>).</citation></ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Heimowitz</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Eldar</surname> <given-names>YC</given-names></name></person-group>. <article-title>The network nullspace property for compressed sensing over networks</article-title>. In: <source>Proceedings of International Conference on Sampling Theory and Applications (SampTA)</source>. <publisher-loc>Tallinn</publisher-loc> (<year>2017</year>).</citation></ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Hulsebos</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>The network nullspace property for compressed sensing of big data over networks</article-title>. <source>arXiv</source> (<year>2017</year>).</citation></ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nam</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Davies</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Elad</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Gribonval</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>The cosparse analysis model and algorithms</article-title>. <source>Appl Comput Harmon Anal.</source> (<year>2013</year>) <volume>34</volume>:<fpage>30</fpage>&#x02013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.acha.2012.03.006</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kabanava</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rauhut</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Cosparsity in compressed sensing</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Boche</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Calderbank</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Kutyniok</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Vybiral</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group> editors, <source>Compressed Sensing and Its Applications</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2015</year>). p. <fpage>315</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kabanava</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rauhut</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Analysis &#x02113;<sub>1</sub>-recovery with frames and gaussian measurements</article-title>. <source>Acta Appl Math.</source> (<year>2015</year>) <volume>140</volume>:<fpage>173</fpage>&#x02013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10440-014-9984-y</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tellegen</surname> <given-names>BDH</given-names></name></person-group>. <article-title>A general network theorem with applications</article-title>. <source>Philips Res Rep.</source> (<year>1952</year>) <volume>7</volume>:<fpage>259</fpage>&#x02013;<lpage>69</lpage>.</citation></ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="A1">
<title>Appendix</title>
<p>The proofs for Theorem 3 and Theorem 4 rely on recognizing the recovery problem (1) as an analysis &#x02113;<sub>1</sub>-minimization problem [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. A sufficient condition for analysis &#x02113;<sub>1</sub>-minimization to deliver the correct solution <italic>x</italic>[&#x000B7;] is given by the analysis nullspace property [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. In particular, the sampling set <inline-formula><mml:math id="M163"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is said to satisfy the stable analysis nullspace property w.r.t. an edge set <inline-formula><mml:math id="M164"><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> if</p>
<disp-formula id="E11"><label>(9)</label><mml:math id="M165"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;for&#x000A0;any&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for some constant &#x003BA; &#x0003E; 1.</p>
<p><bold>Lemma 5</bold>. <italic>Consider a data graph <inline-formula><mml:math id="M166"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and fixed partitioning <inline-formula><mml:math id="M167"><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 its nodes into <inline-formula><mml:math id="M168"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> clusters <inline-formula><mml:math id="M169"><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 a clustered graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] with <inline-formula><mml:math id="M170"><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>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:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</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>l</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> at the sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M171"><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 (9) holds for <inline-formula><mml:math id="M172"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then (1) has a unique solution given by x</italic>[&#x000B7;].</p>
<p><italic>Proof</italic>. Consider a graph signal <inline-formula><mml:math id="M173"><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 is different from the true underlying graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;], being feasible for (1), i.e, <inline-formula><mml:math id="M174"><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>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:math></inline-formula> for all sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M175"><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>. Then, the difference <inline-formula><mml:math id="M176"><mml:mi>u</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>=</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>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:math></inline-formula> belongs to the kernel <inline-formula><mml:math id="M177"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. (4)). Note that, since <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] is constant for all nodes <inline-formula><mml:math id="M178"><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> in the same cluster,</p>
<disp-formula id="E12"><label>(10)</label><mml:math id="M179"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mi>u</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>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">, for any edge</mml:mtext><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>By the triangle inequality,</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M180"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and, since <inline-formula><mml:math id="M181"><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:mo>=</mml:mo><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, in turn</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M182"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mo>=</mml:mo><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mover class="stackrel"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mover class="stackrel"><mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>|</mml:mo><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>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, we have shown that any graph signal <inline-formula><mml:math id="M183"><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 is different from the true underlying graph signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] but coincides with it at all sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M184"><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>, must have a larger TV norm than the true signal <italic>x</italic>[&#x000B7;] and therefore cannot be optimal for the problem (1).&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>The next result extends Lemma 5 to graph signals <inline-formula><mml:math id="M185"><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> which are not exactly clustered, but which can be well approximated by a clustered signal of the form (2).</p>
<p><bold>Lemma 6</bold>. <italic>Consider a data graph <inline-formula><mml:math id="M186"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a fixed partition <inline-formula><mml:math id="M187"><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 its nodes into disjoint clusters <inline-formula><mml:math id="M188"><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>&#x02286;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We observe a graph signal <inline-formula><mml:math id="M189"><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> at the sampling set <inline-formula><mml:math id="M190"><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 (9) holds for <inline-formula><mml:math id="M191"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and &#x003BA; &#x0003D; 2, any solution <inline-formula><mml:math id="M192"><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 (1) satisfies</italic></p>
<disp-formula id="E15"><label>(11)</label><mml:math id="M193"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><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: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:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><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:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</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>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TV</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>Proof</italic>. The argument closely follows the proof of [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, Theorem 8]. First note that any solution <inline-formula><mml:math id="M194"><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 (1) obeys</p>
<disp-formula id="E16"><label>(12)</label><mml:math id="M195"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>since <italic>x</italic>[&#x000B7;] is trivially feasible for (1). From (12), we have</p>
<disp-formula id="E17"><label>(13)</label><mml:math id="M196"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M197"><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 feasible for (1), i.e., <inline-formula><mml:math id="M198"><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>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:math></inline-formula> for every sampled node <inline-formula><mml:math id="M199"><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>, the difference <inline-formula><mml:math id="M200"><mml:mi>v</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: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> belongs to <inline-formula><mml:math id="M201"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. (4)). Applying the triangle inequality to (13),</p>
<disp-formula id="E18"><label>(14)</label><mml:math id="M202"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Combining (14) with (9) (for the signal <italic>u</italic>[&#x000B7;] &#x0003D; <italic>v</italic>[&#x000B7;]),</p>
<disp-formula id="E19"><label>(15)</label><mml:math id="M203"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Using (9) again,</p>
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M204"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><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: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:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover class="stackrel"><mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>v</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mover class="stackrel"><mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For any clustered graph signal <italic>x</italic><sub>c</sub>[&#x000B7;] of the form <inline-formula><mml:math id="M205"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></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:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</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>l</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>, we have <italic>x</italic><sub><italic>c</italic></sub>[<italic>i</italic>]&#x02212;<italic>x</italic><sub><italic>c</italic></sub>[<italic>j</italic>] &#x0003D; 0 for any <inline-formula><mml:math id="M206"><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that <inline-formula><mml:math id="M207"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and, in turn,</p>
<disp-formula id="E21"><mml:math id="M208"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><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>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><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>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>Let us now render Lemma 5 and Lemma 6 for clustered graph signals <italic>x</italic>[&#x000B7;] of the form (2) by stating a condition on the graph topology and sampling set <inline-formula><mml:math id="M210"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which ensures (9).</p>
<p><bold>Lemma 7</bold>. <italic>If a sampling set <inline-formula><mml:math id="M211"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies NNSP-<inline-formula><mml:math id="M212"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then it also satisfies the stable analysis nullspace property (9)</italic>.</p>
<p><italic>Proof</italic>. Consider a signal <inline-formula><mml:math id="M213"><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which vanishes at all sampled nodes, i.e., <inline-formula><mml:math id="M214"><mml:mi>u</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:mn>0</mml:mn><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext></mml:mstyle><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 will now show that <inline-formula><mml:math id="M215"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Let us assume that for each boundary edge <inline-formula><mml:math id="M216"><mml:mi>e</mml:mi><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>, the flow <italic>f</italic>[&#x000B7;] in Definition 2 has the same sign as <italic>u</italic>[<italic>e</italic><sup>&#x0002B;</sup>]&#x02212;<italic>u</italic>[<italic>e</italic><sup>&#x02212;</sup>]. We are allowed to assume this since according to Definition 2, if there exists a flow with <italic>f</italic>[<italic>e</italic>&#x02032;] &#x0003E; 0 for a boundary edge <inline-formula><mml:math id="M217"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><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 is another flow <inline-formula><mml:math id="M218"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</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> with <inline-formula><mml:math id="M219"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the same edge <inline-formula><mml:math id="M220"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><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>, but otherwise identical to <italic>f</italic>[&#x000B7;], i.e., <inline-formula><mml:math id="M221"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="M222"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Next, we construct an augmented graph <inline-formula><mml:math id="M223"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> by adding an extra node <italic>s</italic> to the data graph <inline-formula><mml:math id="M224"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which is connected to all sampled nodes <inline-formula><mml:math id="M225"><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> via an edge <italic>e</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; {<italic>s, i</italic>} which is oriented such that <inline-formula><mml:math id="M226"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We assign to each edge <italic>e</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; {<italic>s, i</italic>} the flow <italic>f</italic>[<italic>e</italic><sub><italic>i</italic></sub>] &#x0003D; <italic>g</italic>[<italic>i</italic>] (cf. (5)). It can be verified easily that the flow over the augmented graph has zero demands for all nodes. Thus, we can apply Tellegen&#x00027;s theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] to obtain <inline-formula><mml:math id="M227"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>\</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</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:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. &#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>We obtain Theorem 3 by combining Lemma 7 with Lemma 5. In order to verify Theorem 4 we note that, by Lemma 7, the NNSP according to Definition 2 implies the stable nullspace property (9) for <inline-formula><mml:math id="M228"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, we can invoke Lemma 6 to reach (8).</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>