Reinforcement Learning from Self-Play in Imperfect-Information Games

This thesis investigates artificial agents learning to make strategic decisions in imperfect-information games. In particular, we introduce a novel approach to reinforcement learning from self-play. We introduce Smooth UCT, which combines the game-theoretic notion of fictitious play with Monte Carlo Tree Search (MCTS). Smooth UCT outperformed a classic MCTS method in several imperfect-information poker games and won three silver medals in the 2014 Annual Computer Poker Competition. We develop Extensive-Form Fictitious Play (XFP) that is entirely implemented in sequential strategies, thus extending this prominent game-theoretic model of learning to sequential games. XFP provides a principled foundation for self-play reinforcement learning in imperfect-information games. We introduce Fictitious Self-Play (FSP), a class of sample-based reinforcement learning algorithms that approximate XFP. We instantiate FSP with neuralnetwork function approximation and deep learning techniques, producing Neural FSP (NFSP). We demonstrate that (approximate) Nash equilibria and their representations (abstractions) can be learned using NFSP end to end, i.e. interfacing with the raw inputs and outputs of the domain. NFSP approached the performance of state-of-the-art, superhuman algorithms in Limit Texas Hold’em - an imperfect-information game at the absolute limit of tractability using massive computational resources. This is the first time that any reinforcement learning algorithm, learning solely from game outcomes without prior domain knowledge, achieved such a feat

Density-based algorithms for active and anytime clustering

Data intensive applications like biology, medicine, and neuroscience require effective and efficient data mining technologies. Advanced data acquisition methods produce a constantly increasing volume and complexity. As a consequence, the need of new data mining technologies to deal with complex data has emerged during the last decades. In this thesis, we focus on the data mining task of clustering in which objects are separated in different groups (clusters) such that objects inside a cluster are more similar than objects in different clusters. Particularly, we consider density-based clustering algorithms and their applications in biomedicine. The core idea of the density-based clustering algorithm DBSCAN is that each object within a cluster must have a certain number of other objects inside its neighborhood. Compared with other clustering algorithms, DBSCAN has many attractive benefits, e.g., it can detect clusters with arbitrary shape and is robust to outliers, etc. Thus, DBSCAN has attracted a lot of research interest during the last decades with many extensions and applications. In the first part of this thesis, we aim at developing new algorithms based on the DBSCAN paradigm to deal with the new challenges of complex data, particularly expensive distance measures and incomplete availability of the distance matrix. Like many other clustering algorithms, DBSCAN suffers from poor performance when facing expensive distance measures for complex data. To tackle this problem, we propose a new algorithm based on the DBSCAN paradigm, called Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), that works in an anytime scheme: in contrast to the original batch scheme of DBSCAN, the algorithm A-DBSCAN first produces a quick approximation of the clustering result and then continuously refines the result during the further run. Experts can interrupt the algorithm, examine the results, and choose between (1) stopping the algorithm at any time whenever they are satisfied with the result to save runtime and (2) continuing the algorithm to achieve better results. Such kind of anytime scheme has been proven in the literature as a very useful technique when dealing with time consuming problems. We also introduced an extended version of A-DBSCAN called A-DBSCAN-XS which is more efficient and effective than A-DBSCAN when dealing with expensive distance measures. Since DBSCAN relies on the cardinality of the neighborhood of objects, it requires the full distance matrix to perform. For complex data, these distances are usually expensive, time consuming or even impossible to acquire due to high cost, high time complexity, noisy and missing data, etc. Motivated by these potential difficulties of acquiring the distances among objects, we propose another approach for DBSCAN, called Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Given a budget limitation B, Act-DBSCAN is only allowed to use up to B pairwise distances ideally to produce the same result as if it has the entire distance matrix at hand. The general idea of Act-DBSCAN is that it actively selects the most promising pairs of objects to calculate the distances between them and tries to approximate as much as possible the desired clustering result with each distance calculation. This scheme provides an efficient way to reduce the total cost needed to perform the clustering. Thus it limits the potential weakness of DBSCAN when dealing with the distance sparseness problem of complex data. As a fundamental data clustering algorithm, density-based clustering has many applications in diverse fields. In the second part of this thesis, we focus on an application of density-based clustering in neuroscience: the segmentation of the white matter fiber tracts in human brain acquired from Diffusion Tensor Imaging (DTI). We propose a model to evaluate the similarity between two fibers as a combination of structural similarity and connectivity-related similarity of fiber tracts. Various distance measure techniques from fields like time-sequence mining are adapted to calculate the structural similarity of fibers. Density-based clustering is used as the segmentation algorithm. We show how A-DBSCAN and A-DBSCAN-XS are used as novel solutions for the segmentation of massive fiber datasets and provide unique features to assist experts during the fiber segmentation process.Datenintensive Anwendungen wie Biologie, Medizin und Neurowissenschaften erfordern effektive und effiziente Data-Mining-Technologien. Erweiterte Methoden der Datenerfassung erzeugen stetig wachsende Datenmengen und Komplexit\"at. In den letzten Jahrzehnten hat sich daher ein Bedarf an neuen Data-Mining-Technologien f\"ur komplexe Daten ergeben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Data-Mining-Aufgabe des Clusterings, in der Objekte in verschiedenen Gruppen (Cluster) getrennt werden, so dass Objekte in einem Cluster untereinander viel \"ahnlicher sind als Objekte in verschiedenen Clustern. Insbesondere betrachten wir dichtebasierte Clustering-Algorithmen und ihre Anwendungen in der Biomedizin. Der Kerngedanke des dichtebasierten Clustering-Algorithmus DBSCAN ist, dass jedes Objekt in einem Cluster eine bestimmte Anzahl von anderen Objekten in seiner Nachbarschaft haben muss. Im Vergleich mit anderen Clustering-Algorithmen hat DBSCAN viele attraktive Vorteile, zum Beispiel kann es Cluster mit beliebiger Form erkennen und ist robust gegen\"uber Ausrei{\ss}ern. So hat DBSCAN in den letzten Jahrzehnten gro{\ss}es Forschungsinteresse mit vielen Erweiterungen und Anwendungen auf sich gezogen. Im ersten Teil dieser Arbeit wollen wir auf die Entwicklung neuer Algorithmen eingehen, die auf dem DBSCAN Paradigma basieren, um mit den neuen Herausforderungen der komplexen Daten, insbesondere teurer Abstandsma{\ss}e und unvollst\"andiger Verf\"ugbarkeit der Distanzmatrix umzugehen. Wie viele andere Clustering-Algorithmen leidet DBSCAN an schlechter Per- formanz, wenn es teuren Abstandsma{\ss}en f\"ur komplexe Daten gegen\"uber steht. Um dieses Problem zu l\"osen, schlagen wir einen neuen Algorithmus vor, der auf dem DBSCAN Paradigma basiert, genannt Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), der mit einem Anytime Schema funktioniert. Im Gegensatz zu dem urspr\"unglichen Schema DBSCAN, erzeugt der Algorithmus A-DBSCAN zuerst eine schnelle Ann\"aherung des Clusterings-Ergebnisses und verfeinert dann kontinuierlich das Ergebnis im weiteren Verlauf. Experten k\"onnen den Algorithmus unterbrechen, die Ergebnisse pr\"ufen und w\"ahlen zwischen (1) Anhalten des Algorithmus zu jeder Zeit, wann immer sie mit dem Ergebnis zufrieden sind, um Laufzeit sparen und (2) Fortsetzen des Algorithmus, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Eine solche Art eines "Anytime Schemas" ist in der Literatur als eine sehr n\"utzliche Technik erprobt, wenn zeitaufwendige Problemen anfallen. Wir stellen auch eine erweiterte Version von A-DBSCAN als A-DBSCAN-XS vor, die effizienter und effektiver als A-DBSCAN beim Umgang mit teuren Abstandsma{\ss}en ist. Da DBSCAN auf der Kardinalit\"at der Nachbarschaftsobjekte beruht, ist es notwendig, die volle Distanzmatrix auszurechen. F\"ur komplexe Daten sind diese Distanzen in der Regel teuer, zeitaufwendig oder sogar unm\"oglich zu errechnen, aufgrund der hohen Kosten, einer hohen Zeitkomplexit\"at oder verrauschten und fehlende Daten. Motiviert durch diese m\"oglichen Schwierigkeiten der Berechnung von Entfernungen zwischen Objekten, schlagen wir einen anderen Ansatz f\"ur DBSCAN vor, namentlich Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Bei einer Budgetbegrenzung B, darf Act-DBSCAN nur bis zu B ideale paarweise Distanzen verwenden, um das gleiche Ergebnis zu produzieren, wie wenn es die gesamte Distanzmatrix zur Hand h\"atte. Die allgemeine Idee von Act-DBSCAN ist, dass es aktiv die erfolgversprechendsten Paare von Objekten w\"ahlt, um die Abst\"ande zwischen ihnen zu berechnen, und versucht, sich so viel wie m\"oglich dem gew\"unschten Clustering mit jeder Abstandsberechnung zu n\"ahern. Dieses Schema bietet eine effiziente M\"oglichkeit, die Gesamtkosten der Durchf\"uhrung des Clusterings zu reduzieren. So schr\"ankt sie die potenzielle Schw\"ache des DBSCAN beim Umgang mit dem Distance Sparseness Problem von komplexen Daten ein. Als fundamentaler Clustering-Algorithmus, hat dichte-basiertes Clustering viele Anwendungen in den unterschiedlichen Bereichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf eine Anwendung des dichte-basierten Clusterings in den Neurowissenschaften: Die Segmentierung der wei{\ss}en Substanz bei Faserbahnen im menschlichen Gehirn, die vom Diffusion Tensor Imaging (DTI) erfasst werden. Wir schlagen ein Modell vor, um die \"Ahnlichkeit zwischen zwei Fasern als einer Kombination von struktureller und konnektivit\"atsbezogener \"Ahnlichkeit von Faserbahnen zu beurteilen. Verschiedene Abstandsma{\ss}e aus Bereichen wie dem Time-Sequence Mining werden angepasst, um die strukturelle \"Ahnlichkeit von Fasern zu berechnen. Dichte-basiertes Clustering wird als Segmentierungsalgorithmus verwendet. Wir zeigen, wie A-DBSCAN und A-DBSCAN-XS als neuartige L\"osungen f\"ur die Segmentierung von sehr gro{\ss}en Faserdatens\"atzen verwendet werden, und bieten innovative Funktionen, um Experten w\"ahrend des Fasersegmentierungsprozesses zu unterst\"utzen

SEQUENTIAL DECISIONS AND PREDICTIONS IN NATURAL LANGUAGE PROCESSING

Natural language processing has achieved great success in a wide range of ap- plications, producing both commercial language services and open-source language tools. However, most methods take a static or batch approach, assuming that the model has all information it needs and makes a one-time prediction. In this disser- tation, we study dynamic problems where the input comes in a sequence instead of all at once, and the output must be produced while the input is arriving. In these problems, predictions are often made based only on partial information. We see this dynamic setting in many real-time, interactive applications. These problems usually involve a trade-off between the amount of input received (cost) and the quality of the output prediction (accuracy). Therefore, the evaluation considers both objectives (e.g., plotting a Pareto curve). Our goal is to develop a formal understanding of sequential prediction and decision-making problems in natural language processing and to propose efficient solutions. Toward this end, we present meta-algorithms that take an existent batch model and produce a dynamic model to handle sequential inputs and outputs. Webuild our framework upon theories of Markov Decision Process (MDP), which allows learning to trade off competing objectives in a principled way. The main machine learning techniques we use are from imitation learning and reinforcement learning, and we advance current techniques to tackle problems arising in our settings. We evaluate our algorithm on a variety of applications, including dependency parsing, machine translation, and question answering. We show that our approach achieves a better cost-accuracy trade-off than the batch approach and heuristic-based decision- making approaches. We first propose a general framework for cost-sensitive prediction, where dif- ferent parts of the input come at different costs. We formulate a decision-making process that selects pieces of the input sequentially, and the selection is adaptive to each instance. Our approach is evaluated on both standard classification tasks and a structured prediction task (dependency parsing). We show that it achieves similar prediction quality to methods that use all input, while inducing a much smaller cost. Next, we extend the framework to problems where the input is revealed incremen- tally in a fixed order. We study two applications: simultaneous machine translation and quiz bowl (incremental text classification). We discuss challenges in this set- ting and show that adding domain knowledge eases the decision-making problem. A central theme throughout the chapters is an MDP formulation of a challenging problem with sequential input/output and trade-off decisions, accompanied by a learning algorithm that solves the MDP

Density-based algorithms for active and anytime clustering

Data intensive applications like biology, medicine, and neuroscience require effective and efficient data mining technologies. Advanced data acquisition methods produce a constantly increasing volume and complexity. As a consequence, the need of new data mining technologies to deal with complex data has emerged during the last decades. In this thesis, we focus on the data mining task of clustering in which objects are separated in different groups (clusters) such that objects inside a cluster are more similar than objects in different clusters. Particularly, we consider density-based clustering algorithms and their applications in biomedicine. The core idea of the density-based clustering algorithm DBSCAN is that each object within a cluster must have a certain number of other objects inside its neighborhood. Compared with other clustering algorithms, DBSCAN has many attractive benefits, e.g., it can detect clusters with arbitrary shape and is robust to outliers, etc. Thus, DBSCAN has attracted a lot of research interest during the last decades with many extensions and applications. In the first part of this thesis, we aim at developing new algorithms based on the DBSCAN paradigm to deal with the new challenges of complex data, particularly expensive distance measures and incomplete availability of the distance matrix. Like many other clustering algorithms, DBSCAN suffers from poor performance when facing expensive distance measures for complex data. To tackle this problem, we propose a new algorithm based on the DBSCAN paradigm, called Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), that works in an anytime scheme: in contrast to the original batch scheme of DBSCAN, the algorithm A-DBSCAN first produces a quick approximation of the clustering result and then continuously refines the result during the further run. Experts can interrupt the algorithm, examine the results, and choose between (1) stopping the algorithm at any time whenever they are satisfied with the result to save runtime and (2) continuing the algorithm to achieve better results. Such kind of anytime scheme has been proven in the literature as a very useful technique when dealing with time consuming problems. We also introduced an extended version of A-DBSCAN called A-DBSCAN-XS which is more efficient and effective than A-DBSCAN when dealing with expensive distance measures. Since DBSCAN relies on the cardinality of the neighborhood of objects, it requires the full distance matrix to perform. For complex data, these distances are usually expensive, time consuming or even impossible to acquire due to high cost, high time complexity, noisy and missing data, etc. Motivated by these potential difficulties of acquiring the distances among objects, we propose another approach for DBSCAN, called Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Given a budget limitation B, Act-DBSCAN is only allowed to use up to B pairwise distances ideally to produce the same result as if it has the entire distance matrix at hand. The general idea of Act-DBSCAN is that it actively selects the most promising pairs of objects to calculate the distances between them and tries to approximate as much as possible the desired clustering result with each distance calculation. This scheme provides an efficient way to reduce the total cost needed to perform the clustering. Thus it limits the potential weakness of DBSCAN when dealing with the distance sparseness problem of complex data. As a fundamental data clustering algorithm, density-based clustering has many applications in diverse fields. In the second part of this thesis, we focus on an application of density-based clustering in neuroscience: the segmentation of the white matter fiber tracts in human brain acquired from Diffusion Tensor Imaging (DTI). We propose a model to evaluate the similarity between two fibers as a combination of structural similarity and connectivity-related similarity of fiber tracts. Various distance measure techniques from fields like time-sequence mining are adapted to calculate the structural similarity of fibers. Density-based clustering is used as the segmentation algorithm. We show how A-DBSCAN and A-DBSCAN-XS are used as novel solutions for the segmentation of massive fiber datasets and provide unique features to assist experts during the fiber segmentation process.Datenintensive Anwendungen wie Biologie, Medizin und Neurowissenschaften erfordern effektive und effiziente Data-Mining-Technologien. Erweiterte Methoden der Datenerfassung erzeugen stetig wachsende Datenmengen und Komplexit\"at. In den letzten Jahrzehnten hat sich daher ein Bedarf an neuen Data-Mining-Technologien f\"ur komplexe Daten ergeben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Data-Mining-Aufgabe des Clusterings, in der Objekte in verschiedenen Gruppen (Cluster) getrennt werden, so dass Objekte in einem Cluster untereinander viel \"ahnlicher sind als Objekte in verschiedenen Clustern. Insbesondere betrachten wir dichtebasierte Clustering-Algorithmen und ihre Anwendungen in der Biomedizin. Der Kerngedanke des dichtebasierten Clustering-Algorithmus DBSCAN ist, dass jedes Objekt in einem Cluster eine bestimmte Anzahl von anderen Objekten in seiner Nachbarschaft haben muss. Im Vergleich mit anderen Clustering-Algorithmen hat DBSCAN viele attraktive Vorteile, zum Beispiel kann es Cluster mit beliebiger Form erkennen und ist robust gegen\"uber Ausrei{\ss}ern. So hat DBSCAN in den letzten Jahrzehnten gro{\ss}es Forschungsinteresse mit vielen Erweiterungen und Anwendungen auf sich gezogen. Im ersten Teil dieser Arbeit wollen wir auf die Entwicklung neuer Algorithmen eingehen, die auf dem DBSCAN Paradigma basieren, um mit den neuen Herausforderungen der komplexen Daten, insbesondere teurer Abstandsma{\ss}e und unvollst\"andiger Verf\"ugbarkeit der Distanzmatrix umzugehen. Wie viele andere Clustering-Algorithmen leidet DBSCAN an schlechter Per- formanz, wenn es teuren Abstandsma{\ss}en f\"ur komplexe Daten gegen\"uber steht. Um dieses Problem zu l\"osen, schlagen wir einen neuen Algorithmus vor, der auf dem DBSCAN Paradigma basiert, genannt Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), der mit einem Anytime Schema funktioniert. Im Gegensatz zu dem urspr\"unglichen Schema DBSCAN, erzeugt der Algorithmus A-DBSCAN zuerst eine schnelle Ann\"aherung des Clusterings-Ergebnisses und verfeinert dann kontinuierlich das Ergebnis im weiteren Verlauf. Experten k\"onnen den Algorithmus unterbrechen, die Ergebnisse pr\"ufen und w\"ahlen zwischen (1) Anhalten des Algorithmus zu jeder Zeit, wann immer sie mit dem Ergebnis zufrieden sind, um Laufzeit sparen und (2) Fortsetzen des Algorithmus, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Eine solche Art eines "Anytime Schemas" ist in der Literatur als eine sehr n\"utzliche Technik erprobt, wenn zeitaufwendige Problemen anfallen. Wir stellen auch eine erweiterte Version von A-DBSCAN als A-DBSCAN-XS vor, die effizienter und effektiver als A-DBSCAN beim Umgang mit teuren Abstandsma{\ss}en ist. Da DBSCAN auf der Kardinalit\"at der Nachbarschaftsobjekte beruht, ist es notwendig, die volle Distanzmatrix auszurechen. F\"ur komplexe Daten sind diese Distanzen in der Regel teuer, zeitaufwendig oder sogar unm\"oglich zu errechnen, aufgrund der hohen Kosten, einer hohen Zeitkomplexit\"at oder verrauschten und fehlende Daten. Motiviert durch diese m\"oglichen Schwierigkeiten der Berechnung von Entfernungen zwischen Objekten, schlagen wir einen anderen Ansatz f\"ur DBSCAN vor, namentlich Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Bei einer Budgetbegrenzung B, darf Act-DBSCAN nur bis zu B ideale paarweise Distanzen verwenden, um das gleiche Ergebnis zu produzieren, wie wenn es die gesamte Distanzmatrix zur Hand h\"atte. Die allgemeine Idee von Act-DBSCAN ist, dass es aktiv die erfolgversprechendsten Paare von Objekten w\"ahlt, um die Abst\"ande zwischen ihnen zu berechnen, und versucht, sich so viel wie m\"oglich dem gew\"unschten Clustering mit jeder Abstandsberechnung zu n\"ahern. Dieses Schema bietet eine effiziente M\"oglichkeit, die Gesamtkosten der Durchf\"uhrung des Clusterings zu reduzieren. So schr\"ankt sie die potenzielle Schw\"ache des DBSCAN beim Umgang mit dem Distance Sparseness Problem von komplexen Daten ein. Als fundamentaler Clustering-Algorithmus, hat dichte-basiertes Clustering viele Anwendungen in den unterschiedlichen Bereichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf eine Anwendung des dichte-basierten Clusterings in den Neurowissenschaften: Die Segmentierung der wei{\ss}en Substanz bei Faserbahnen im menschlichen Gehirn, die vom Diffusion Tensor Imaging (DTI) erfasst werden. Wir schlagen ein Modell vor, um die \"Ahnlichkeit zwischen zwei Fasern als einer Kombination von struktureller und konnektivit\"atsbezogener \"Ahnlichkeit von Faserbahnen zu beurteilen. Verschiedene Abstandsma{\ss}e aus Bereichen wie dem Time-Sequence Mining werden angepasst, um die strukturelle \"Ahnlichkeit von Fasern zu berechnen. Dichte-basiertes Clustering wird als Segmentierungsalgorithmus verwendet. Wir zeigen, wie A-DBSCAN und A-DBSCAN-XS als neuartige L\"osungen f\"ur die Segmentierung von sehr gro{\ss}en Faserdatens\"atzen verwendet werden, und bieten innovative Funktionen, um Experten w\"ahrend des Fasersegmentierungsprozesses zu unterst\"utzen

Managerial risk in information technology investments : effects of framing, narrow framing and time inconsistent preferences on real options exercise decisions

Real options theory has been advocated as a solution to risky IT investment decisions. IT investments decisions are risky due to uncertainty around future outcomes and the inability of traditional financial measures (like NPV, IRR) to account for inherent managerial flexibility. On the one hand, it is argued that real options analysis captures and formalizes managers' intuition, hence creating a disciplined decision making process. On the other hand, the intuitive valuation of the options is criticized due to the prevalent effects of various judgmental biases. In this dissertation, we explore three potential biases that can affect the real option exercise decisions in terms of either suboptimal option exercise choice due to framing and narrow framing effects, or suboptimal exercise time due to time inconsistent preferences of IT managers. We test for framing effects in individual IT project decisions and narrow framing effects in IT portfolio decisions, by conducting an online experiment among top and mid-level IT professionals. The results show that IT professionals are prone to framing real options at exercise time and simplifying complicated real option exercise decisions by isolating them in IT portfolios. Further, their decisions are influenced by their personal risk preferences. We analyze the effect of time-inconsistent preferences of present-biased managers on the exercise time of real growth and abandonment options and the realized values using a discrete time option valuation model. The results show that present-biased managers are more likely to exercise growth options early when the net payoffs are low, the growth option payoffs have high volatility, and the risk free discount rate is small. Also, present-biased managers are more likely to exercise abandonment option late when the net payoffs from continuing the project are high, salvage value of the project is low, and the rate of change in the salvage value over the period of time is low. In addition, present biased managers are more likely to exercise a growth option early in its life when the project is performing well. We provide implications for practice and IT governance