Differential Evolution Algorithm in the Construction of Interpretable Classification Models

In this chapter, the application of a differential evolution-based approach to induce oblique decision trees (DTs) is described. This type of decision trees uses a linear combination of attributes to build oblique hyperplanes dividing the instance space. Oblique decision trees are more compact and accurate than the traditional univariate decision trees. On the other hand, as differential evolution (DE) is an efficient evolutionary algorithm (EA) designed to solve optimization problems with real-valued parameters, and since finding an optimal hyperplane is a hard computing task, this metaheuristic (MH) is chosen to conduct an intelligent search of a near-optimal solution. Two methods are described in this chapter: one implementing a recursive partitioning strategy to find the most suitable oblique hyperplane of each internal node of a decision tree, and the other conducting a global search of a near-optimal oblique decision tree. A statistical analysis of the experimental results suggests that these methods show better performance as decision tree induction procedures in comparison with other supervised learning approaches

Optimization algorithms for decision tree induction

Aufgrund der guten Interpretierbarkeit gehören Entscheidungsbäume zu den am häufigsten verwendeten Modellen des maschinellen Lernens zur Lösung von Klassifizierungs- und Regressionsaufgaben. Ihre Vorhersagen sind oft jedoch nicht so genau wie die anderer Modelle. Der am weitesten verbreitete Ansatz zum Lernen von Entscheidungsbäumen ist die Top-Down-Methode, bei der rekursiv neue Aufteilungen anhand eines einzelnen Merkmals eingefuhrt werden, die ein bestimmtes Aufteilungskriterium minimieren. Eine Möglichkeit diese Strategie zu verbessern und kleinere und genauere Entscheidungsbäume zu erzeugen, besteht darin, andere Arten von Aufteilungen zuzulassen, z.B. welche, die mehrere Merkmale gleichzeitig berücksichtigen. Solche zu bestimmen ist allerdings deutlich komplexer und es sind effektive Optimierungsalgorithmen notwendig um optimale Lösungen zu finden. Für numerische Merkmale sind Aufteilungen anhand affiner Hyperebenen eine Alternative zu univariaten Aufteilungen. Leider ist das Problem der optimalen Bestimmung der Hyperebenparameter im Allgemeinen NP-schwer. Inspiriert durch die zugrunde liegende Problemstruktur werden in dieser Arbeit daher zwei Heuristiken zur näherungsweisen Lösung dieses Problems entwickelt. Die erste ist eine Kreuzentropiemethode, die iterativ Stichproben von der von-Mises-Fisher-Verteilung zieht und deren Parameter mithilfe der besten Elemente daraus verbessert. Die zweite ist ein Simulated-Annealing-Verfahren, das eine Pivotstrategie zur Erkundung des Lösungsraums nutzt. Aufgrund der gleichzeitigen Verwendung aller numerischen Merkmale sind generelle Hyperebenenaufteilungen jedoch schwer zu interpretieren. Als Alternative wird in dieser Arbeit daher die Verwendung von bivariaten Hyperebenenaufteilungen vorgeschlagen, die Linien in dem von zwei Merkmalen aufgespannten Unterraum entsprechen. Mit diesen ist es möglich, den Merkmalsraum deutlich effizienter zu unterteilen als mit univariaten Aufteilungen. Gleichzeitig sind sie aufgrund der Beschränkung auf zwei Merkmale gut interpretierbar. Zur optimalen Bestimmung der bivariaten Hyperebenenaufteilungen wird ein Branch-and-Bound-Verfahren vorgestellt. Darüber hinaus wird ein Branch-and-Bound-Verfahren zur Bestimmung optimaler Kreuzaufteilungen entwickelt. Diese können als Kombination von zwei standardmäßigen univariaten Aufteilung betrachtet werden und sind in Situationen nützlich, in denen die Datenpunkte nur schlecht durch einzelne lineare Aufteilungen separiert werden können. Die entwickelten unteren Schranken für verunreinigungsbasierte Aufteilungskriterien motivieren ebenfalls ein einfaches, aber effektives Branch-and-Bound-Verfahren zur Bestimmung optimaler Aufteilungen nominaler Merkmale. Aufgrund der Komplexität des zugrunde liegenden Optimierungsproblems musste man bisher nominale Merkmale mittels Kodierungsschemata in numerische umwandeln oder Heuristiken nutzen, um suboptimale nominale Aufteilungen zu bestimmen. Das vorgeschlagene Branch-and-Bound-Verfahren bietet eine nützliche Alternative für viele praktische Anwendungsfälle. Schließlich wird ein genetischer Algorithmus zur Induktion von Entscheidungsbäumen als Alternative zur Top-Down-Methode vorgestellt.Decision trees are among the most commonly used machine learning models for solving classification and regression tasks due to their major advantage of being easy to interpret. However, their predictions are often not as accurate as those of other models. The most widely used approach for learning decision trees is to build them in a top-down manner by introducing splits on a single variable that minimize a certain splitting criterion. One possibility of improving this strategy to induce smaller and more accurate decision trees is to allow different types of splits which, for example, consider multiple features simultaneously. However, finding such splits is usually much more complex and effective optimization methods are needed to determine optimal solutions. An alternative to univarate splits for numerical features are oblique splits which employ affine hyperplanes to divide the feature space. Unfortunately, the problem of determining such a split optimally is known to be NP-hard in general. Inspired by the underlying problem structure, two new heuristics are developed for finding near-optimal oblique splits. The first one is a cross-entropy optimization method which iteratively samples points from the von Mises-Fisher distribution and updates its parameters based on the best performing samples. The second one is a simulated annealing algorithm that uses a pivoting strategy to explore the solution space. As general oblique splits employ all of the numerical features simultaneously, they are hard to interpret. As an alternative, in this thesis, the usage of bivariate oblique splits is proposed. These splits correspond to lines in the subspace spanned by two features. They are capable of dividing the feature space much more efficiently than univariate splits while also being fairly interpretable due to the restriction to two features only. A branch and bound method is presented to determine these bivariate oblique splits optimally. Furthermore, a branch and bound method to determine optimal cross-splits is presented. These splits can be viewed as combinations of two standard univariate splits on numeric attributes and they are useful in situations where the data points cannot be separated well linearly. The cross-splits can either be introduced directly to induce quaternary decision trees or, which is usually better, they can be used to provide a certain degree of foresight, in which case only the better of the two respective univariate splits is introduced. The developed lower bounds for impurity based splitting criteria also motivate a simple but effective branch and bound algorithm for splits on nominal features. Due to the complexity of determining such splits optimally when the number of possible values for the feature is large, one previously had to use encoding schemes to transform the nominal features into numerical ones or rely on heuristics to find near-optimal nominal splits. The proposed branch and bound method may be a viable alternative for many practical applications. Lastly, a genetic algorithm is proposed as an alternative to the top-down induction strategy

9th International Workshop "What can FCA do for Artificial Intelligence?" (FCA4AI 2021)

International audienceFormal Concept Analysis (FCA) is a mathematically well-founded theory aimed at classification and knowledge discovery that can be used for many purposes in Artificial Intelligence (AI). The objective of the ninth edition of the FCA4AI workshop (see http://www.fca4ai.hse.ru/) is to investigate several issues such as: how can FCA support various AI activities (knowledge discovery, knowledge engineering, machine learning, data mining, information retrieval, recommendation...), how can FCA be extended in order to help AI researchers to solve new and complex problems in their domains, and how FCA can play a role in current trends in AI such as explainable AI and fairness of algorithms in decision making.The workshop was held in co-location with IJCAI 2021, Montréal, Canada, August, 28 2021

Change blindness: eradication of gestalt strategies

Arrays of eight, texture-defined rectangles were used as stimuli in a one-shot change blindness (CB) task where there was a 50% chance that one rectangle would change orientation between two successive presentations separated by an interval. CB was eliminated by cueing the target rectangle in the first stimulus, reduced by cueing in the interval and unaffected by cueing in the second presentation. This supports the idea that a representation was formed that persisted through the interval before being 'overwritten' by the second presentation (Landman et al, 2003 Vision Research 43149–164]. Another possibility is that participants used some kind of grouping or Gestalt strategy. To test this we changed the spatial position of the rectangles in the second presentation by shifting them along imaginary spokes (by ±1 degree) emanating from the central fixation point. There was no significant difference seen in performance between this and the standard task [F(1,4)=2.565, p=0.185]. This may suggest two things: (i) Gestalt grouping is not used as a strategy in these tasks, and (ii) it gives further weight to the argument that objects may be stored and retrieved from a pre-attentional store during this task

Comprehensible and Robust Knowledge Discovery from Small Datasets

Die Wissensentdeckung in Datenbanken (“Knowledge Discovery in Databases”, KDD) zielt darauf ab, nützliches Wissen aus Daten zu extrahieren. Daten können eine Reihe von Messungen aus einem realen Prozess repräsentieren oder eine Reihe von Eingabe- Ausgabe-Werten eines Simulationsmodells. Zwei häufig widersprüchliche Anforderungen an das erworbene Wissen sind, dass es (1) die Daten möglichst exakt zusammenfasst und (2) in einer gut verständlichen Form vorliegt. Entscheidungsbäume (“Decision Trees”) und Methoden zur Entdeckung von Untergruppen (“Subgroup Discovery”) liefern Wissenszusammenfassungen in Form von Hyperrechtecken; diese gelten als gut verständlich. Um die Bedeutung einer verständlichen Datenzusammenfassung zu demonstrieren, erforschen wir Dezentrale intelligente Netzsteuerung — ein neues System, das die Bedarfsreaktion in Stromnetzen ohne wesentliche Änderungen in der Infrastruktur implementiert. Die bisher durchgeführte konventionelle Analyse dieses Systems beschränkte sich auf die Berücksichtigung identischer Teilnehmer und spiegelte daher die Realität nicht ausreichend gut wider. Wir führen viele Simulationen mit unterschiedlichen Eingabewerten durch und wenden Entscheidungsbäume auf die resultierenden Daten an. Mit den daraus resultierenden verständlichen Datenzusammenfassung konnten wir neue Erkenntnisse zum Verhalten der Dezentrale intelligente Netzsteuerung gewinnen. Entscheidungsbäume ermöglichen die Beschreibung des Systemverhaltens für alle Eingabekombinationen. Manchmal ist man aber nicht daran interessiert, den gesamten Eingaberaum zu partitionieren, sondern Bereiche zu finden, die zu bestimmten Ausgabe führen (sog. Untergruppen). Die vorhandenen Algorithmen zum Erkennen von Untergruppen erfordern normalerweise große Datenmengen, um eine stabile und genaue Ausgabe zu erzielen. Der Datenerfassungsprozess ist jedoch häufig kostspielig. Unser Hauptbeitrag ist die Verbesserung der Untergruppenerkennung aus Datensätzen mit wenigen Beobachtungen. Die Entdeckung von Untergruppen in simulierten Daten wird als Szenarioerkennung bezeichnet. Ein häufig verwendeter Algorithmus für die Szenarioerkennung ist PRIM (Patient Rule Induction Method). Wir schlagen REDS (Rule Extraction for Discovering Scenarios) vor, ein neues Verfahren für die Szenarioerkennung. Für REDS, trainieren wir zuerst ein statistisches Zwischenmodell und verwenden dieses, um eine große Menge neuer Daten für PRIM zu erstellen. Die grundlegende statistische Intuition beschrieben wir ebenfalls. Experimente zeigen, dass REDS viel besser funktioniert als PRIM für sich alleine: Es reduziert die Anzahl der erforderlichen Simulationsläufe um 75% im Durchschnitt. Mit simulierten Daten hat man perfekte Kenntnisse über die Eingangsverteilung — eine Voraussetzung von REDS. Um REDS auf realen Messdaten anwendbar zu machen, haben wir es mit Stichproben aus einer geschätzten multivariate Verteilung der Daten kombiniert. Wir haben die resultierende Methode in Kombination mit verschiedenen Methoden zur Generierung von Daten experimentell evaluiert. Wir haben dies für PRIM und BestInterval — eine weitere repräsentative Methode zur Erkennung von Untergruppen — gemacht. In den meisten Fällen hat unsere Methodik die Qualität der entdeckten Untergruppen erhöht

Modeling pollutant dispersion at the city and street scales: from wind tunnel experiments to complex network theory

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Entropy-based machine learning algorithms applied to genomics and pattern recognition

Transcription factors (TF) are proteins that interact with DNA to regulate the transcription of DNA to RNA and play key roles in both healthy and cancerous cells. Thus, gaining a deeper understanding of the biological factors underlying transcription factor (TF) binding specificity is important for understanding the mechanism of oncogenesis. As large, biological datasets become more readily available, machine learning (ML) algorithms have proven to make up an important and useful set of tools for cancer researchers. However, there remain many areas for potential improvements for these ML models, including a higher degree of model interpretability and overall accuracy. In this thesis, we present decision tree (DT) methods applied to DNA sequence analysis that result in highly interpretable and accurate predictions. We propose a boosted decision tree (BDT) model using the binary counts of important DNA motifs to predict the binding specificity of TFs belonging to the same protein family of binding similar DNA sequences. We then proceed to introduce a novel application of Convolutional Decision Trees (CDT) and demonstrate that this approach has distinct advantages over the BDT modeil while still accurately predicting the binding specificty of TFs. The CDT models are trained using the Cross Entropy (CE) optimization method, a Monte Carlo optimization method based on concepts from information theory related to statistical mechanics. We then further study the CDT model as a general pattern recognition and transfer learning technique and demonstrate that this approach can learn translationally invariant patterns that lead to high classification accuracy while remaining more interpretable and learning higher quality convolutional filters compared to convolutional neural networks (CNN)