Hide and Seek: Scaling Machine Learning for Combinatorial Optimization via the Probabilistic Method

Applying deep learning to solve real-life instances of hard combinatorial problems has tremendous potential. Research in this direction has focused on the Boolean satisfiability (SAT) problem, both because of its theoretical centrality and practical importance. A major roadblock faced, though, is that training sets are restricted to random formulas of size several orders of magnitude smaller than formulas of practical interest, raising serious concerns about generalization. This is because labeling random formulas of increasing size rapidly becomes intractable. By exploiting the probabilistic method in a fundamental way, we remove this roadblock entirely: we show how to generate correctly labeled random formulas of any desired size, without having to solve the underlying decision problem. Moreover, the difficulty of the classification task for the formulas produced by our generator is tunable by varying a simple scalar parameter. This opens up an entirely new level of sophistication for the machine learning methods that can be brought to bear on Satisfiability. Using our generator, we train existing state-of-the-art models for the task of predicting satisfiability on formulas with 10,000 variables. We find that they do no better than random guessing. As a first indication of what can be achieved with the new generator, we present a novel classifier that performs significantly better than random guessing 99% on the same datasets, for most difficulty levels. Crucially, unlike past approaches that learn based on syntactic features of a formula, our classifier performs its learning on a short prefix of a solver's computation, an approach that we expect to be of independent interest

Adaptive search techniques in AI planning and heuristic search

State-space search is a common approach to solve problems appearing in artificial intelligence and other subfields of computer science. In such problems, an agent must find a sequence of actions leading from an initial state to a goal state. However, the state spaces of practical applications are often too large to explore exhaustively. Hence, heuristic functions that estimate the distance to a goal state (such as straight-line distance for navigation tasks) are used to guide the search more effectively. Heuristic search is typically viewed as a static process. The heuristic function is assumed to be unchanged throughout the search, and its resulting values are directly used for guidance without applying any further reasoning to them. Yet critical aspects of the task may only be discovered during the search, e.g., regions of the state space where the heuristic does not yield reliable values. Our work here aims to make this process more dynamic, allowing the search to adapt to such observations. One form of adaptation that we consider is online refinement of the heuristic function. We design search algorithms that detect weaknesses in the heuristic, and address them with targeted refinement operations. If the heuristic converges to perfect estimates, this results in a secondary method of progress, causing search algorithms that are otherwise incomplete to eventually find a solution. We also consider settings that inherently require adaptation: In online replanning, a plan that is being executed must be amended for changes in the environment. Similarly, in real-time search, an agent must act under strict time constraints with limited information. The search algorithms we introduce in this work share a common pattern of online adaptation, allowing them to effectively react to challenges encountered during the search. We evaluate our contributions on a wide range of standard benchmarks. Our results show that the flexibility of these algorithms makes them more robust than traditional approaches, and they often yield substantial improvements over current state-of-the-art planners.Die Zustandsraumsuche ist ein oft verwendeter Ansatz um verschiedene Probleme zu lösen, die in der Künstlichen Intelligenz und anderen Bereichen der Informatik auftreten. Dabei muss ein Akteur eine Folge von Aktionen finden, die einen Pfad von einem Startzustand zu einem Zielzustand bilden. Die Zustandsräume von praktischen Anwendungen sind häufig zu groß um sie vollständig zu durchsuchen. Aus diesem Grund leitet man die Suche mit Heuristiken, die die Distanz zu einem Zielzustand abschätzen; zum Beispiel lässt sich die Luftliniendistanz als Heuristik für Navigationsprobleme einsetzen. Heuristische Suche wird typischerweise als statischer Prozess angesehen. Man nimmt an, dass die Heuristik während der Suche eine unveränderte Funktion ist, und die resultierenden Werte werden direkt zur Leitung der Suche benutzt ohne weitere Logik darauf anzuwenden. Jedoch könnten kritische Aspekte des Problems erst im Laufe der Suche erkannt werden, wie zum Beispiel Bereiche des Zustandsraums in denen die Heuristik keine verlässlichen Abschätzungen liefert. In dieser Arbeit wird der Suchprozess dynamischer gestaltet und der Suche ermöglicht sich solchen Beobachtungen anzupassen. Eine Art dieser Anpassung ist die Onlineverbesserung der Heuristik. Es werden Suchalgorithmen entwickelt, die Schwächen in der Heuristik erkennen und mit gezielten Verbesserungsoperationen beheben. Wenn die Heuristik zu perfekten Werten konvergiert ergibt sich daraus eine zusätzliche Form von Fortschritt, wodurch auch Suchalgorithmen, die sonst unvollständig sind, garantiert irgendwann eine Lösung finden werden. Es werden auch Szenarien betrachtet, die schon von sich aus Anpassung erfordern: In der Onlineumplanung muss ein Plan, der gerade ausgeführt wird, auf Änderungen in der Umgebung angepasst werden. Ähnlich dazu muss sich ein Akteur in der Echtzeitsuche unter strengen Zeitauflagen und mit eingeschränkten Informationen bewegen. Die Suchalgorithmen, die in dieser Arbeit eingeführt werden, folgen einem gemeinsamen Muster von Onlineanpassung, was ihnen ermöglicht effektiv auf Herausforderungen zu reagieren die im Verlauf der Suche aufkommen. Diese Ansätze werden auf einer breiten Reihe von Benchmarks ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Flexibilität dieser Algorithmen zu erhöhter Zuverlässigkeit im Vergleich zu traditionellen Ansätzen führt, und es werden oft deutliche Verbesserungen gegenüber modernen Planungssystemen erzielt.DFG grant 389792660 as part of TRR 248 – CPEC (see https://perspicuous-computing.science), and DFG grant HO 2169/5-1, "Critically Constrained Planning via Partial Delete Relaxation

Gaussian Processes on Hypergraphs

We derive a Matern Gaussian process (GP) on the vertices of a hypergraph. This enables estimation of regression models of observed or latent values associated with the vertices, in which the correlation and uncertainty estimates are informed by the hypergraph structure. We further present a framework for embedding the vertices of a hypergraph into a latent space using the hypergraph GP. Finally, we provide a scheme for identifying a small number of representative inducing vertices that enables scalable inference through sparse GPs. We demonstrate the utility of our framework on three challenging real-world problems that concern multi-class classification for the political party affiliation of legislators on the basis of voting behaviour, probabilistic matrix factorisation of movie reviews, and embedding a hypergraph of animals into a low-dimensional latent space

Computational aspects of voting: a literature survey

Preference aggregation is a topic of study in different fields such as philosophy, mathematics, economics and political science. Recently, computational aspects of preference aggregation have gained especial attention and “computational politics” has emerged as a marked line of research in computer science with a clear concentration on voting protocols. The field of voting systems, rooted in social choice theory, has expanded notably in both depth and breadth in the last few decades. A significant amount of this growth comes from studies concerning the computational aspects of voting systems. This thesis comprehensively reviews the work on voting systems (from a computing perspective) by listing, classifying and comparing the results obtained by different researchers in the field. This survey covers a wide range of new and historical results yet provides a profound commentary on related work as individual studies and in relation to other related work and to the field in general. The deliverables serve as an overview where students and novice researchers in the field can start and also as a depository that can be referred to when searching for specific results. A comprehensive literature survey of the computational aspects of voting is a task that has not been undertaken yet and is initially realized here. Part of this research was dedicated to creating a web-depository that contains material and references related to the topic based on the survey. The purpose was to create a dynamic version of the survey that can be updated with latest findings and as an online practical reference

Modular Deep Learning

Transfer learning has recently become the dominant paradigm of machine learning. Pre-trained models fine-tuned for downstream tasks achieve better performance with fewer labelled examples. Nonetheless, it remains unclear how to develop models that specialise towards multiple tasks without incurring negative interference and that generalise systematically to non-identically distributed tasks. Modular deep learning has emerged as a promising solution to these challenges. In this framework, units of computation are often implemented as autonomous parameter-efficient modules. Information is conditionally routed to a subset of modules and subsequently aggregated. These properties enable positive transfer and systematic generalisation by separating computation from routing and updating modules locally. We offer a survey of modular architectures, providing a unified view over several threads of research that evolved independently in the scientific literature. Moreover, we explore various additional purposes of modularity, including scaling language models, causal inference, programme induction, and planning in reinforcement learning. Finally, we report various concrete applications where modularity has been successfully deployed such as cross-lingual and cross-modal knowledge transfer. Related talks and projects to this survey, are available at https://www.modulardeeplearning.com/

Foundation, Implementation and Evaluation of the MorphoSaurus System: Subword Indexing, Lexical Learning and Word Sense Disambiguation for Medical Cross-Language Information Retrieval

Im medizinischen Alltag, zu welchem viel Dokumentations- und Recherchearbeit gehört, ist mittlerweile der überwiegende Teil textuell kodierter Information elektronisch verfügbar. Hiermit kommt der Entwicklung leistungsfähiger Methoden zur effizienten Recherche eine vorrangige Bedeutung zu. Bewertet man die Nützlichkeit gängiger Textretrievalsysteme aus dem Blickwinkel der medizinischen Fachsprache, dann mangelt es ihnen an morphologischer Funktionalität (Flexion, Derivation und Komposition), lexikalisch-semantischer Funktionalität und der Fähigkeit zu einer sprachübergreifenden Analyse großer Dokumentenbestände. In der vorliegenden Promotionsschrift werden die theoretischen Grundlagen des MorphoSaurus-Systems (ein Akronym für Morphem-Thesaurus) behandelt. Dessen methodischer Kern stellt ein um Morpheme der medizinischen Fach- und Laiensprache gruppierter Thesaurus dar, dessen Einträge mittels semantischer Relationen sprachübergreifend verknüpft sind. Darauf aufbauend wird ein Verfahren vorgestellt, welches (komplexe) Wörter in Morpheme segmentiert, die durch sprachunabhängige, konzeptklassenartige Symbole ersetzt werden. Die resultierende Repräsentation ist die Basis für das sprachübergreifende, morphemorientierte Textretrieval. Neben der Kerntechnologie wird eine Methode zur automatischen Akquise von Lexikoneinträgen vorgestellt, wodurch bestehende Morphemlexika um weitere Sprachen ergänzt werden. Die Berücksichtigung sprachübergreifender Phänomene führt im Anschluss zu einem neuartigen Verfahren zur Auflösung von semantischen Ambiguitäten. Die Leistungsfähigkeit des morphemorientierten Textretrievals wird im Rahmen umfangreicher, standardisierter Evaluationen empirisch getestet und gängigen Herangehensweisen gegenübergestellt