ACCAMS: Additive Co-Clustering to Approximate Matrices Succinctly

Matrix completion and approximation are popular tools to capture a user's preferences for recommendation and to approximate missing data. Instead of using low-rank factorization we take a drastically different approach, based on the simple insight that an additive model of co-clusterings allows one to approximate matrices efficiently. This allows us to build a concise model that, per bit of model learned, significantly beats all factorization approaches to matrix approximation. Even more surprisingly, we find that summing over small co-clusterings is more effective in modeling matrices than classic co-clustering, which uses just one large partitioning of the matrix. Following Occam's razor principle suggests that the simple structure induced by our model better captures the latent preferences and decision making processes present in the real world than classic co-clustering or matrix factorization. We provide an iterative minimization algorithm, a collapsed Gibbs sampler, theoretical guarantees for matrix approximation, and excellent empirical evidence for the efficacy of our approach. We achieve state-of-the-art results on the Netflix problem with a fraction of the model complexity.Comment: 22 pages, under review for conference publicatio

ROBUST LOW-RANK MATRIX FACTORIZATION WITH MISSING DATA BY MINIMIZING L1 LOSS APPLIED TO COLLABORATIVE FILTERING

In this age of information overload and plethora of choices, people increasingly rely on automatic recommender systems to tell them what suits their needs. A very effective approach for creating recommender systems is collaborative filtering, which is the task of predicting the preference/rating that a user would assign to an item based on preference data of that user and preference data of other users. One way to conduct collaborative filtering is through dimensionality reduction. The underlying concept of the approach lies in the belief that there are only a few features (reduced dimensions) that influence the user’s choice. In this paper we use low rank matrix factorization for dimensionality reduction. Singular Value Decomposition (SVD), which is minimizing the L2 norm is the most popular technique to perform matrix factorization. However, in most recommendation system data sets, often the users only rate a small amount of items, which creates missing data. As a result SVD fails. In recent years L1 norm has gained much importance and popularity because it is robust to outliers and missing data. In this thesis we use alternate convex optimization to perform L1 norm minimization to solve the matrix factorization problem and apply it to collaborative filtering. We also review some of the major challenges that collaborative filtering faces today and some of the other techniques used. Additionally, this thesis discusses the importance and future of collaborative filtering in medical applications that concerns the database of patient history (prescriptions/symptoms) and how it can be used as a predictive task for the future of the patient

Advances in deep learning with limited supervision and computational resources

Les réseaux de neurones profonds sont la pierre angulaire des systèmes à la fine pointe de la technologie pour une vaste gamme de tâches, comme la reconnaissance d'objets, la modélisation du langage et la traduction automatique. Mis à part le progrès important établi dans les architectures et les procédures de formation des réseaux de neurones profonds, deux facteurs ont été la clé du succès remarquable de l'apprentissage profond : la disponibilité de grandes quantités de données étiquetées et la puissance de calcul massive. Cette thèse par articles apporte plusieurs contributions à l'avancement de l'apprentissage profond, en particulier dans les problèmes avec très peu ou pas de données étiquetées, ou avec des ressources informatiques limitées. Le premier article aborde la question de la rareté des données dans les systèmes de recommandation, en apprenant les représentations distribuées des produits à partir des commentaires d'évaluation de produits en langage naturel. Plus précisément, nous proposons un cadre d'apprentissage multitâches dans lequel nous utilisons des méthodes basées sur les réseaux de neurones pour apprendre les représentations de produits à partir de textes de critiques de produits et de données d'évaluation. Nous démontrons que la méthode proposée peut améliorer la généralisation dans les systèmes de recommandation et atteindre une performance de pointe sur l'ensemble de données Amazon Reviews. Le deuxième article s'attaque aux défis computationnels qui existent dans l'entraînement des réseaux de neurones profonds à grande échelle. Nous proposons une nouvelle architecture de réseaux de neurones conditionnels permettant d'attribuer la capacité du réseau de façon adaptative, et donc des calculs, dans les différentes régions des entrées. Nous démontrons l'efficacité de notre modèle sur les tâches de reconnaissance visuelle où les objets d'intérêt sont localisés à la couche d'entrée, tout en maintenant une surcharge de calcul beaucoup plus faible que les architectures standards des réseaux de neurones. Le troisième article contribue au domaine de l'apprentissage non supervisé, avec l'aide du paradigme des réseaux antagoniste génératifs. Nous introduisons un cadre fléxible pour l'entraînement des réseaux antagonistes génératifs, qui non seulement assure que le générateur estime la véritable distribution des données, mais permet également au discriminateur de conserver l'information sur la densité des données à l'optimum global. Nous validons notre cadre empiriquement en montrant que le discriminateur est capable de récupérer l'énergie de la distribution des données et d'obtenir une qualité d'échantillons à la fine pointe de la technologie. Enfin, dans le quatrième article, nous nous attaquons au problème de l'apprentissage non supervisé à travers différents domaines. Nous proposons un modèle qui permet d'apprendre des transformations plusieurs à plusieurs à travers deux domaines, et ce, à partir des données non appariées. Nous validons notre approche sur plusieurs ensembles de données se rapportant à l'imagerie, et nous montrons que notre méthode peut être appliquée efficacement dans des situations d'apprentissage semi-supervisé.Deep neural networks are the cornerstone of state-of-the-art systems for a wide range of tasks, including object recognition, language modelling and machine translation. In the last decade, research in the field of deep learning has led to numerous key advances in designing novel architectures and training algorithms for neural networks. However, most success stories in deep learning heavily relied on two main factors: the availability of large amounts of labelled data and massive computational resources. This thesis by articles makes several contributions to advancing deep learning, specifically in problems with limited or no labelled data, or with constrained computational resources. The first article addresses sparsity of labelled data that emerges in the application field of recommender systems. We propose a multi-task learning framework that leverages natural language reviews in improving recommendation. Specifically, we apply neural-network-based methods for learning representations of products from review text, while learning from rating data. We demonstrate that the proposed method can achieve state-of-the-art performance on the Amazon Reviews dataset. The second article tackles computational challenges in training large-scale deep neural networks. We propose a conditional computation network architecture which can adaptively assign its capacity, and hence computations, across different regions of the input. We demonstrate the effectiveness of our model on visual recognition tasks where objects are spatially localized within the input, while maintaining much lower computational overhead than standard network architectures. The third article contributes to the domain of unsupervised learning with the generative adversarial networks paradigm. We introduce a flexible adversarial training framework, in which not only the generator converges to the true data distribution, but also the discriminator recovers the relative density of the data at the optimum. We validate our framework empirically by showing that the discriminator is able to accurately estimate the true energy of data while obtaining state-of-the-art quality of samples. Finally, in the fourth article, we address the problem of unsupervised domain translation. We propose a model which can learn flexible, many-to-many mappings across domains from unpaired data. We validate our approach on several image datasets, and we show that it can be effectively applied in semi-supervised learning settings