New kernel functions and learning methods for text and data mining

Recent advances in machine learning methods enable increasingly the automatic construction of various types of computer assisted methods that have been difficult or laborious to program by human experts. The tasks for which this kind of tools are needed arise in many areas, here especially in the fields of bioinformatics and natural language processing. The machine learning methods may not work satisfactorily if they are not appropriately tailored to the task in question. However, their learning performance can often be improved by taking advantage of deeper insight of the application domain or the learning problem at hand. This thesis considers developing kernel-based learning algorithms incorporating this kind of prior knowledge of the task in question in an advantageous way. Moreover, computationally efficient algorithms for training the learning machines for specific tasks are presented. In the context of kernel-based learning methods, the incorporation of prior knowledge is often done by designing appropriate kernel functions. Another well-known way is to develop cost functions that fit to the task under consideration. For disambiguation tasks in natural language, we develop kernel functions that take account of the positional information and the mutual similarities of words. It is shown that the use of this information significantly improves the disambiguation performance of the learning machine. Further, we design a new cost function that is better suitable for the task of information retrieval and for more general ranking problems than the cost functions designed for regression and classification. We also consider other applications of the kernel-based learning algorithms such as text categorization, and pattern recognition in differential display. We develop computationally efficient algorithms for training the considered learning machines with the proposed kernel functions. We also design a fast cross-validation algorithm for regularized least-squares type of learning algorithm. Further, an efficient version of the regularized least-squares algorithm that can be used together with the new cost function for preference learning and ranking tasks is proposed. In summary, we demonstrate that the incorporation of prior knowledge is possible and beneficial, and novel advanced kernels and cost functions can be used in algorithms efficiently.

A Sparse Bayesian Approach for Joint Feature Selection and Classifier Learning

Peer-reviewed

Design and evaluation of learning algorithms for dynamic resource management in virtual networks

Network virtualisation is considerably gaining attentionas a solution to ossification of the Internet. However, thesuccess of network virtualisation will depend in part on how efficientlythe virtual networks utilise substrate network resources.In this paper, we propose a machine learning-based approachto virtual network resource management. We propose to modelthe substrate network as a decentralised system and introducea learning algorithm in each substrate node and substrate link,providing self-organization capabilities. We propose a multiagentlearning algorithm that carries out the substrate network resourcemanagement in a coordinated and decentralised way. The taskof these agents is to use evaluative feedback to learn an optimalpolicy so as to dynamically allocate network resources to virtualnodes and links. The agents ensure that while the virtual networkshave the resources they need at any given time, only the requiredresources are reserved for this purpose. Simulations show thatour dynamic approach significantly improves the virtual networkacceptance ratio and the maximum number of accepted virtualnetwork requests at any time while ensuring that virtual networkquality of service requirements such as packet drop rate andvirtual link delay are not affected.

Learning Preferences with Kernel-Based Methods

Learning of preference relations has recently received significant attention in machine learning community. It is closely related to the classification and regression analysis and can be reduced to these tasks. However, preference learning involves prediction of ordering of the data points rather than prediction of a single numerical value as in case of regression or a class label as in case of classification. Therefore, studying preference relations within a separate framework facilitates not only better theoretical understanding of the problem, but also motivates development of the efficient algorithms for the task. Preference learning has many applications in domains such as information retrieval, bioinformatics, natural language processing, etc. For example, algorithms that learn to rank are frequently used in search engines for ordering documents retrieved by the query. Preference learning methods have been also applied to collaborative filtering problems for predicting individual customer choices from the vast amount of user generated feedback. In this thesis we propose several algorithms for learning preference relations. These algorithms stem from well founded and robust class of regularized least-squares methods and have many attractive computational properties. In order to improve the performance of our methods, we introduce several non-linear kernel functions. Thus, contribution of this thesis is twofold: kernel functions for structured data that are used to take advantage of various non-vectorial data representations and the preference learning algorithms that are suitable for different tasks, namely efficient learning of preference relations, learning with large amount of training data, and semi-supervised preference learning. Proposed kernel-based algorithms and kernels are applied to the parse ranking task in natural language processing, document ranking in information retrieval, and remote homology detection in bioinformatics domain. Training of kernel-based ranking algorithms can be infeasible when the size of the training set is large. This problem is addressed by proposing a preference learning algorithm whose computation complexity scales linearly with the number of training data points. We also introduce sparse approximation of the algorithm that can be efficiently trained with large amount of data. For situations when small amount of labeled data but a large amount of unlabeled data is available, we propose a co-regularized preference learning algorithm. To conclude, the methods presented in this thesis address not only the problem of the efficient training of the algorithms but also fast regularization parameter selection, multiple output prediction, and cross-validation. Furthermore, proposed algorithms lead to notably better performance in many preference learning tasks considered.

Kernel-Based Ranking. Methods for Learning and Performance Estimation

Machine learning provides tools for automated construction of predictive models in data intensive areas of engineering and science. The family of regularized kernel methods have in the recent years become one of the mainstream approaches to machine learning, due to a number of advantages the methods share. The approach provides theoretically well-founded solutions to the problems of under- and overfitting, allows learning from structured data, and has been empirically demonstrated to yield high predictive performance on a wide range of application domains. Historically, the problems of classification and regression have gained the majority of attention in the field. In this thesis we focus on another type of learning problem, that of learning to rank. In learning to rank, the aim is from a set of past observations to learn a ranking function that can order new objects according to how well they match some underlying criterion of goodness. As an important special case of the setting, we can recover the bipartite ranking problem, corresponding to maximizing the area under the ROC curve (AUC) in binary classification. Ranking applications appear in a large variety of settings, examples encountered in this thesis include document retrieval in web search, recommender systems, information extraction and automated parsing of natural language. We consider the pairwise approach to learning to rank, where ranking models are learned by minimizing the expected probability of ranking any two randomly drawn test examples incorrectly. The development of computationally efficient kernel methods, based on this approach, has in the past proven to be challenging. Moreover, it is not clear what techniques for estimating the predictive performance of learned models are the most reliable in the ranking setting, and how the techniques can be implemented efficiently. The contributions of this thesis are as follows. First, we develop RankRLS, a computationally efficient kernel method for learning to rank, that is based on minimizing a regularized pairwise least-squares loss. In addition to training methods, we introduce a variety of algorithms for tasks such as model selection, multi-output learning, and cross-validation, based on computational shortcuts from matrix algebra. Second, we improve the fastest known training method for the linear version of the RankSVM algorithm, which is one of the most well established methods for learning to rank. Third, we study the combination of the empirical kernel map and reduced set approximation, which allows the large-scale training of kernel machines using linear solvers, and propose computationally efficient solutions to cross-validation when using the approach. Next, we explore the problem of reliable cross-validation when using AUC as a performance criterion, through an extensive simulation study. We demonstrate that the proposed leave-pair-out cross-validation approach leads to more reliable performance estimation than commonly used alternative approaches. Finally, we present a case study on applying machine learning to information extraction from biomedical literature, which combines several of the approaches considered in the thesis. The thesis is divided into two parts. Part I provides the background for the research work and summarizes the most central results, Part II consists of the five original research articles that are the main contribution of this thesis.

Learning Grasp Affordances from Vision

Monimutkaisissa ja muuttuvissa ympäristöissä työskentelevät robotit tarvitsevat kykyä manipuloida ja tarttua esineisiin. Tämä työ tutkii robottitarttumisen ja robottitartuntapis-teiden koneoppimisen aiempaa tutkimusta ja nykytilaa. Nykyaikaiset menetelmät käydään läpi, ja Le:n koneoppimiseen pohjautuva luokitin toteutetaan, koska se tarjoaa parhaan onnistumisprosentin tutkituista menetelmistä ja on muokattavissa sopivaksi käytettävissä olevalle robotille. Toteutettu menetelmä käyttää intensititeettikuvaan ja syvyyskuvaan po-hjautuvia ominaisuuksi luokitellakseen potentiaaliset tartuntapisteet. Tämän toteutuksen tulokset esitellään.

Towards Evaluating and Modelling the Impacts of Mobile-Based Augmented Reality Applications on Learning and Engagement

Mobile augmented reality applications are increasingly utilized as a medium for enhancing learning and engagement in history education. Although these digital devices facilitate learning through immersive and appealing experiences, their design should be driven by theories of learning and instruction. We provide an overview of an evidence-based approach to optimize the development of mobile augmented reality applications that teaches students about history. Our research aims to evaluate and model the impacts of design parameters towards learning and engagement. The research program is interdisciplinary in that we apply techniques derived from design-based experiments and educational data mining. We outline the methodological and analytical techniques as well as discuss the implications of the anticipated findings.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and deterministic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel metaheuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS metaheuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and determinis- tic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel meta–heuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS meta–heuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

Configuration et exploitation d'une machine émotionnelle

Dans ce travail, nous explorons la faisabilité de doter les machines de la capacité de prédire, dans un contexte d'interaction homme-machine (IHM), l'émotion d'un utilisateur, ainsi que son intensité, de manière instantanée pour une grande variété de situations. Plus spécifiquement, une application a été développée, appelée machine émotionnelle, capable de «comprendre» la signification d'une situation en se basant sur le modèle théorique d'évaluation de l'émotion Ortony, Clore et Collins (OCC). Cette machine est apte, également, à prédire les réactions émotionnelles des utilisateurs, en combinant des versions améliorées des k plus proches voisins et des réseaux de neurones. Une procédure empirique a été réalisée pour l'acquisition des données. Ces dernières ont fourni une connaissance consistante aux algorithmes d'apprentissage choisis et ont permis de tester la performance de la machine. Les résultats obtenus montrent que la machine émotionnelle proposée est capable de produire de bonnes prédictions. Une telle réalisation pourrait encourager son utilisation future dans des domaines exploitant la reconnaissance automatique de l'émotion.

Annotation syntaxico-sémantique des actants en corpus spécialisé

L’annotation en rôles sémantiques est une tâche qui permet d’attribuer des étiquettes de rôles telles que Agent, Patient, Instrument, Lieu, Destination etc. aux différents participants actants ou circonstants (arguments ou adjoints) d’une lexie prédicative. Cette tâche nécessite des ressources lexicales riches ou des corpus importants contenant des phrases annotées manuellement par des linguistes sur lesquels peuvent s’appuyer certaines approches d’automatisation (statistiques ou apprentissage machine). Les travaux antérieurs dans ce domaine ont porté essentiellement sur la langue anglaise qui dispose de ressources riches, telles que PropBank, VerbNet et FrameNet, qui ont servi à alimenter les systèmes d’annotation automatisés. L’annotation dans d’autres langues, pour lesquelles on ne dispose pas d’un corpus annoté manuellement, repose souvent sur le FrameNet anglais. Une ressource telle que FrameNet de l’anglais est plus que nécessaire pour les systèmes d’annotation automatisé et l’annotation manuelle de milliers de phrases par des linguistes est une tâche fastidieuse et exigeante en temps. Nous avons proposé dans cette thèse un système automatique pour aider les linguistes dans cette tâche qui pourraient alors se limiter à la validation des annotations proposées par le système. Dans notre travail, nous ne considérons que les verbes qui sont plus susceptibles que les noms d’être accompagnés par des actants réalisés dans les phrases. Ces verbes concernent les termes de spécialité d’informatique et d’Internet (ex. accéder, configurer, naviguer, télécharger) dont la structure actancielle est enrichie manuellement par des rôles sémantiques. La structure actancielle des lexies verbales est décrite selon les principes de la Lexicologie Explicative et Combinatoire, LEC de Mel’čuk et fait appel partiellement (en ce qui concerne les rôles sémantiques) à la notion de Frame Element tel que décrit dans la théorie Frame Semantics (FS) de Fillmore. Ces deux théories ont ceci de commun qu’elles mènent toutes les deux à la construction de dictionnaires différents de ceux issus des approches traditionnelles. Les lexies verbales d’informatique et d’Internet qui ont été annotées manuellement dans plusieurs contextes constituent notre corpus spécialisé. Notre système qui attribue automatiquement des rôles sémantiques aux actants est basé sur des règles ou classificateurs entraînés sur plus de 2300 contextes. Nous sommes limités à une liste de rôles restreinte car certains rôles dans notre corpus n’ont pas assez d’exemples annotés manuellement. Dans notre système, nous n’avons traité que les rôles Patient, Agent et Destination dont le nombre d’exemple est supérieur à 300. Nous avons crée une classe que nous avons nommé Autre où nous avons rassemblé les autres rôles dont le nombre d’exemples annotés est inférieur à 100. Nous avons subdivisé la tâche d’annotation en sous-tâches : identifier les participants actants et circonstants et attribuer des rôles sémantiques uniquement aux actants qui contribuent au sens de la lexie verbale. Nous avons soumis les phrases de notre corpus à l’analyseur syntaxique Syntex afin d’extraire les informations syntaxiques qui décrivent les différents participants d’une lexie verbale dans une phrase. Ces informations ont servi de traits (features) dans notre modèle d’apprentissage. Nous avons proposé deux techniques pour l’identification des participants : une technique à base de règles où nous avons extrait une trentaine de règles et une autre technique basée sur l’apprentissage machine. Ces mêmes techniques ont été utilisées pour la tâche de distinguer les actants des circonstants. Nous avons proposé pour la tâche d’attribuer des rôles sémantiques aux actants, une méthode de partitionnement (clustering) semi supervisé des instances que nous avons comparée à la méthode de classification de rôles sémantiques. Nous avons utilisé CHAMÉLÉON, un algorithme hiérarchique ascendant.

L'atténuation statistique des surdétections d'un correcteur grammatical symbolique

Les logiciels de correction grammaticale commettent parfois des détections illégitimes (fausses alertes), que nous appelons ici surdétections. La présente étude décrit les expériences de mise au point d’un système créé pour identifier et mettre en sourdine les surdétections produites par le correcteur du français conçu par la société Druide informatique. Plusieurs classificateurs ont été entraînés de manière supervisée sur 14 types de détections faites par le correcteur, en employant des traits couvrant di-verses informations linguistiques (dépendances et catégories syntaxiques, exploration du contexte des mots, etc.) extraites de phrases avec et sans surdétections. Huit des 14 classificateurs développés sont maintenant intégrés à la nouvelle version d’un correcteur commercial très populaire. Nos expériences ont aussi montré que les modèles de langue probabilistes, les SVM et la désambiguïsation sémantique améliorent la qualité de ces classificateurs. Ce travail est un exemple réussi de déploiement d’une approche d’apprentissage machine au service d’une application langagière grand public robuste.

Apprentissage machine efficace : théorie et pratique

Malgré des progrès constants en termes de capacité de calcul, mémoire et quantité de données disponibles, les algorithmes d'apprentissage machine doivent se montrer efficaces dans l'utilisation de ces ressources. La minimisation des coûts est évidemment un facteur important, mais une autre motivation est la recherche de mécanismes d'apprentissage capables de reproduire le comportement d'êtres intelligents. Cette thèse aborde le problème de l'efficacité à travers plusieurs articles traitant d'algorithmes d'apprentissage variés : ce problème est vu non seulement du point de vue de l'efficacité computationnelle (temps de calcul et mémoire utilisés), mais aussi de celui de l'efficacité statistique (nombre d'exemples requis pour accomplir une tâche donnée). Une première contribution apportée par cette thèse est la mise en lumière d'inefficacités statistiques dans des algorithmes existants. Nous montrons ainsi que les arbres de décision généralisent mal pour certains types de tâches (chapitre 3), de même que les algorithmes classiques d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), chacun étant affecté par une forme particulière de la malédiction de la dimensionalité. Pour une certaine classe de réseaux de neurones, appelés réseaux sommes-produits, nous montrons qu'il peut être exponentiellement moins efficace de représenter certaines fonctions par des réseaux à une seule couche cachée, comparé à des réseaux profonds (chapitre 4). Nos analyses permettent de mieux comprendre certains problèmes intrinsèques liés à ces algorithmes, et d'orienter la recherche dans des directions qui pourraient permettre de les résoudre. Nous identifions également des inefficacités computationnelles dans les algorithmes d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), et dans l'apprentissage de mélanges de Gaussiennes en présence de valeurs manquantes (chapitre 6). Dans les deux cas, nous proposons de nouveaux algorithmes capables de traiter des ensembles de données significativement plus grands. Les deux derniers chapitres traitent de l'efficacité computationnelle sous un angle différent. Dans le chapitre 7, nous analysons de manière théorique un algorithme existant pour l'apprentissage efficace dans les machines de Boltzmann restreintes (la divergence contrastive), afin de mieux comprendre les raisons qui expliquent le succès de cet algorithme. Finalement, dans le chapitre 8 nous présentons une application de l'apprentissage machine dans le domaine des jeux vidéo, pour laquelle le problème de l'efficacité computationnelle est relié à des considérations d'ingénierie logicielle et matérielle, souvent ignorées en recherche mais ô combien importantes en pratique.

Un outil d’évaluation neurocognitive des interactions humain-machine

De plus en plus de recherches sur les Interactions Humain-Machine (IHM) tentent d’effectuer des analyses fines de l’interaction afin de faire ressortir ce qui influence les comportements des utilisateurs. Tant au niveau de l’évaluation de la performance que de l’expérience des utilisateurs, on note qu’une attention particulière est maintenant portée aux réactions émotionnelles et cognitives lors de l’interaction. Les approches qualitatives standards sont limitées, car elles se fondent sur l’observation et des entrevues après l’interaction, limitant ainsi la précision du diagnostic. L’expérience utilisateur et les réactions émotionnelles étant de nature hautement dynamique et contextualisée, les approches d’évaluation doivent l’être de même afin de permettre un diagnostic précis de l’interaction. Cette thèse présente une approche d’évaluation quantitative et dynamique qui permet de contextualiser les réactions des utilisateurs afin d’en identifier les antécédents dans l’interaction avec un système. Pour ce faire, ce travail s’articule autour de trois axes. 1) La reconnaissance automatique des buts et de la structure de tâches de l’utilisateur, à l’aide de mesures oculométriques et d’activité dans l’environnement par apprentissage machine. 2) L’inférence de construits psychologiques (activation, valence émotionnelle et charge cognitive) via l’analyse des signaux physiologiques. 3) Le diagnostic de l‘interaction reposant sur le couplage dynamique des deux précédentes opérations. Les idées et le développement de notre approche sont illustrés par leur application dans deux contextes expérimentaux : le commerce électronique et l’apprentissage par simulation. Nous présentons aussi l’outil informatique complet qui a été implémenté afin de permettre à des professionnels en évaluation (ex. : ergonomes, concepteurs de jeux, formateurs) d’utiliser l’approche proposée pour l’évaluation d’IHM. Celui-ci est conçu de manière à faciliter la triangulation des appareils de mesure impliqués dans ce travail et à s’intégrer aux méthodes classiques d’évaluation de l’interaction (ex. : questionnaires et codage des observations).