Algorithmic learning theory: 26th international conference, ALT 2015 Banff, AB, Canada, october 4-6, 2015 proceedings

This book constitutes the proceedings of the 26th International Conference on Algorithmic Learning Theory, ALT 2015, held in Banff, AB, Canada, in October 2015, and co-located with the 18th International Conference on Discovery Science, DS 2015. The 23 full papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 44 submissions. In addition the book contains 2 full papers summarizing the invited talks and 2 abstracts of invited talks. The papers are organized in topical sections named: inductive inference; learning from queries, teaching complexity; computational learning theory and algorithms; statistical learning theory and sample complexity; online learning, stochastic optimization; and Kolmogorov complexity, algorithmic information theory

A Stability Principle for Learning under Non-Stationarity

We develop a versatile framework for statistical learning in non-stationary environments. In each time period, our approach applies a stability principle to select a look-back window that maximizes the utilization of historical data while keeping the cumulative bias within an acceptable range relative to the stochastic error. Our theory showcases the adaptability of this approach to unknown non-stationarity. The regret bound is minimax optimal up to logarithmic factors when the population losses are strongly convex, or Lipschitz only. At the heart of our analysis lie two novel components: a measure of similarity between functions and a segmentation technique for dividing the non-stationary data sequence into quasi-stationary pieces.Comment: 47 pages, 1 figur

Genetic Programming Lifelong Multitasking Evolution: LLGP-Tasking

We present a Lifelong Multi-Tasking learning algorithm based on Genetic Programming referred to as “LLGPTasking”. This paper extends previously published work ”GPTasking” kattanSSCI2020GPTASKING, evolving a population of GP trees using a multifaceted strategy. In GP-Tasking, each individual is trained with multiple fitness functions (where each function represents one task and has different training/testing sets). Empirical evidence demonstrated that the quality of evolved solutions is comparable to standard GP achieving significantly faster computational time while maintaining smaller evolved population sizes. In this work, we improved GP-Tasking and introduced a new crossover mechanism to transfer useful knowledge across different tasks. Further, we introduced new population initialisation approach to accumulate knowledge across different domains. The new LLGP-Tasking can solve multiple problems simultaneously and receive sequentially new batches of problems, Experimental results of the new LLGPTasking demonstrate superiority of evolved solutions over standard GP and it maintained same search speed produced by its predecessor (i.e., GP-Tasking)

Real-time generation and adaptation of social companion robot behaviors

Social robots will be part of our future homes. They will assist us in everyday tasks, entertain us, and provide helpful advice. However, the technology still faces challenges that must be overcome to equip the machine with social competencies and make it a socially intelligent and accepted housemate. An essential skill of every social robot is verbal and non-verbal communication. In contrast to voice assistants, smartphones, and smart home technology, which are already part of many people's lives today, social robots have an embodiment that raises expectations towards the machine. Their anthropomorphic or zoomorphic appearance suggests they can communicate naturally with speech, gestures, or facial expressions and understand corresponding human behaviors. In addition, robots also need to consider individual users' preferences: everybody is shaped by their culture, social norms, and life experiences, resulting in different expectations towards communication with a robot. However, robots do not have human intuition - they must be equipped with the corresponding algorithmic solutions to these problems. This thesis investigates the use of reinforcement learning to adapt the robot's verbal and non-verbal communication to the user's needs and preferences. Such non-functional adaptation of the robot's behaviors primarily aims to improve the user experience and the robot's perceived social intelligence. The literature has not yet provided a holistic view of the overall challenge: real-time adaptation requires control over the robot's multimodal behavior generation, an understanding of human feedback, and an algorithmic basis for machine learning. Thus, this thesis develops a conceptual framework for designing real-time non-functional social robot behavior adaptation with reinforcement learning. It provides a higher-level view from the system designer's perspective and guidance from the start to the end. It illustrates the process of modeling, simulating, and evaluating such adaptation processes. Specifically, it guides the integration of human feedback and social signals to equip the machine with social awareness. The conceptual framework is put into practice for several use cases, resulting in technical proofs of concept and research prototypes. They are evaluated in the lab and in in-situ studies. These approaches address typical activities in domestic environments, focussing on the robot's expression of personality, persona, politeness, and humor. Within this scope, the robot adapts its spoken utterances, prosody, and animations based on human explicit or implicit feedback.Soziale Roboter werden Teil unseres zukünftigen Zuhauses sein. Sie werden uns bei alltäglichen Aufgaben unterstützen, uns unterhalten und uns mit hilfreichen Ratschlägen versorgen. Noch gibt es allerdings technische Herausforderungen, die zunächst überwunden werden müssen, um die Maschine mit sozialen Kompetenzen auszustatten und zu einem sozial intelligenten und akzeptierten Mitbewohner zu machen. Eine wesentliche Fähigkeit eines jeden sozialen Roboters ist die verbale und nonverbale Kommunikation. Im Gegensatz zu Sprachassistenten, Smartphones und Smart-Home-Technologien, die bereits heute Teil des Lebens vieler Menschen sind, haben soziale Roboter eine Verkörperung, die Erwartungen an die Maschine weckt. Ihr anthropomorphes oder zoomorphes Aussehen legt nahe, dass sie in der Lage sind, auf natürliche Weise mit Sprache, Gestik oder Mimik zu kommunizieren, aber auch entsprechende menschliche Kommunikation zu verstehen. Darüber hinaus müssen Roboter auch die individuellen Vorlieben der Benutzer berücksichtigen. So ist jeder Mensch von seiner Kultur, sozialen Normen und eigenen Lebenserfahrungen geprägt, was zu unterschiedlichen Erwartungen an die Kommunikation mit einem Roboter führt. Roboter haben jedoch keine menschliche Intuition - sie müssen mit entsprechenden Algorithmen für diese Probleme ausgestattet werden. In dieser Arbeit wird der Einsatz von bestärkendem Lernen untersucht, um die verbale und nonverbale Kommunikation des Roboters an die Bedürfnisse und Vorlieben des Benutzers anzupassen. Eine solche nicht-funktionale Anpassung des Roboterverhaltens zielt in erster Linie darauf ab, das Benutzererlebnis und die wahrgenommene soziale Intelligenz des Roboters zu verbessern. Die Literatur bietet bisher keine ganzheitliche Sicht auf diese Herausforderung: Echtzeitanpassung erfordert die Kontrolle über die multimodale Verhaltenserzeugung des Roboters, ein Verständnis des menschlichen Feedbacks und eine algorithmische Basis für maschinelles Lernen. Daher wird in dieser Arbeit ein konzeptioneller Rahmen für die Gestaltung von nicht-funktionaler Anpassung der Kommunikation sozialer Roboter mit bestärkendem Lernen entwickelt. Er bietet eine übergeordnete Sichtweise aus der Perspektive des Systemdesigners und eine Anleitung vom Anfang bis zum Ende. Er veranschaulicht den Prozess der Modellierung, Simulation und Evaluierung solcher Anpassungsprozesse. Insbesondere wird auf die Integration von menschlichem Feedback und sozialen Signalen eingegangen, um die Maschine mit sozialem Bewusstsein auszustatten. Der konzeptionelle Rahmen wird für mehrere Anwendungsfälle in die Praxis umgesetzt, was zu technischen Konzeptnachweisen und Forschungsprototypen führt, die in Labor- und In-situ-Studien evaluiert werden. Diese Ansätze befassen sich mit typischen Aktivitäten in häuslichen Umgebungen, wobei der Schwerpunkt auf dem Ausdruck der Persönlichkeit, dem Persona, der Höflichkeit und dem Humor des Roboters liegt. In diesem Rahmen passt der Roboter seine Sprache, Prosodie, und Animationen auf Basis expliziten oder impliziten menschlichen Feedbacks an

Assessing the reliability of deep neural networks

Deep Neural Networks (DNNs) have achieved astonishing results in the last two decades, fueled by ever larger datasets and the availability of high performance compute hardware. This led to breakthroughs in many applications such as image and speech recognition, natural language processing, autonomous driving, and drug discovery. Despite their success, the understanding of internal workings and the interpretability of predictions remains limited and DNNs are often treated as "black boxes". Especially for safety-critical applications where the well-being of humans is at risk, decisions based on predictions should consider associated uncertainties. Autonomous vehicles, for example, operate in a highly complex environment with potentially unpredictable situations that can lead to safety risks for pedestrians and other road users. In medical applications, decision based on incorrect predictions can have serious consequences for a patient's health. As a consequence, the topic of Uncertainty Quantification (UQ) has received increasing attention in recent years. The goal of UQ is to assign uncertainties to predictions in order to ensure the decision-making process is informed by potentially unreliable predictions. In addition, other tasks such as identifying model weaknesses, collecting additional data or detecting malicious attacks can be supported by uncertainty estimates. Unfortunately, UQ for DNNs is a particularly challenging task due to their high complexity and nonlinearity. Uncertainties which can be derived from traditional statistical models are often not directly applicable to DNNs. Therefore, the development of new UQ techniques for DNNs is of paramount importance to ensure safety-aware decision-making. This thesis evaluates existing UQ methods and proposes improvements and novel approaches which contribute to the reliability and trustworthiness of modern deep learning methodology. One of the core contributions of this work is the development of a novel generative learning framework with an integrated training of a One-vs-All (OvA) classifier. A Generative Adversarial Network (GAN) is trained in such a way that it is possible to sample from the boundary of the training distribution. These boundary samples are shielding the training dataset from the Out-of-Distribution (OoD) region. By making the GAN class-conditional, it is possible to shield each class separately, which integrates well with the formulation of an OvA classifier. The OvA classifier achieves outstanding results on the task of OoD detection and surpasses many previous works by large margins. In addition, the tight class shielding also improves the overall classification accuracy. A comprehensive and consistent evaluation on the tasks of False Positive, Out-of-Distribution and Adversarial Example Detection on a diverse selection of datasets provides insights into the strengths and weaknesses of existing methods and the proposed approaches

Explainable methods for knowledge graph refinement and exploration via symbolic reasoning

Knowledge Graphs (KGs) have applications in many domains such as Finance, Manufacturing, and Healthcare. While recent efforts have created large KGs, their content is far from complete and sometimes includes invalid statements. Therefore, it is crucial to refine the constructed KGs to enhance their coverage and accuracy via KG completion and KG validation. It is also vital to provide human-comprehensible explanations for such refinements, so that humans have trust in the KG quality. Enabling KG exploration, by search and browsing, is also essential for users to understand the KG value and limitations towards down-stream applications. However, the large size of KGs makes KG exploration very challenging. While the type taxonomy of KGs is a useful asset along these lines, it remains insufficient for deep exploration. In this dissertation we tackle the aforementioned challenges of KG refinement and KG exploration by combining logical reasoning over the KG with other techniques such as KG embedding models and text mining. Through such combination, we introduce methods that provide human-understandable output. Concretely, we introduce methods to tackle KG incompleteness by learning exception-aware rules over the existing KG. Learned rules are then used in inferring missing links in the KG accurately. Furthermore, we propose a framework for constructing human-comprehensible explanations for candidate facts from both KG and text. Extracted explanations are used to insure the validity of KG facts. Finally, to facilitate KG exploration, we introduce a method that combines KG embeddings with rule mining to compute informative entity clusters with explanations.Wissensgraphen haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise im Finanz- und Gesundheitswesen. Wissensgraphen sind jedoch unvollständig und enthalten auch ungültige Daten. Hohe Abdeckung und Korrektheit erfordern neue Methoden zur Wissensgraph-Erweiterung und Wissensgraph-Validierung. Beide Aufgaben zusammen werden als Wissensgraph-Verfeinerung bezeichnet. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erklärbarkeit und Verständlichkeit von Wissensgraphinhalten für Nutzer. In Anwendungen ist darüber hinaus die nutzerseitige Exploration von Wissensgraphen von besonderer Bedeutung. Suchen und Navigieren im Graph hilft dem Anwender, die Wissensinhalte und ihre Limitationen besser zu verstehen. Aufgrund der riesigen Menge an vorhandenen Entitäten und Fakten ist die Wissensgraphen-Exploration eine Herausforderung. Taxonomische Typsystem helfen dabei, sind jedoch für tiefergehende Exploration nicht ausreichend. Diese Dissertation adressiert die Herausforderungen der Wissensgraph-Verfeinerung und der Wissensgraph-Exploration durch algorithmische Inferenz über dem Wissensgraph. Sie erweitert logisches Schlussfolgern und kombiniert es mit anderen Methoden, insbesondere mit neuronalen Wissensgraph-Einbettungen und mit Text-Mining. Diese neuen Methoden liefern Ausgaben mit Erklärungen für Nutzer. Die Dissertation umfasst folgende Beiträge: Insbesondere leistet die Dissertation folgende Beiträge: • Zur Wissensgraph-Erweiterung präsentieren wir ExRuL, eine Methode zur Revision von Horn-Regeln durch Hinzufügen von Ausnahmebedingungen zum Rumpf der Regeln. Die erweiterten Regeln können neue Fakten inferieren und somit Lücken im Wissensgraphen schließen. Experimente mit großen Wissensgraphen zeigen, dass diese Methode Fehler in abgeleiteten Fakten erheblich reduziert und nutzerfreundliche Erklärungen liefert. • Mit RuLES stellen wir eine Methode zum Lernen von Regeln vor, die auf probabilistischen Repräsentationen für fehlende Fakten basiert. Das Verfahren erweitert iterativ die aus einem Wissensgraphen induzierten Regeln, indem es neuronale Wissensgraph-Einbettungen mit Informationen aus Textkorpora kombiniert. Bei der Regelgenerierung werden neue Metriken für die Regelqualität verwendet. Experimente zeigen, dass RuLES die Qualität der gelernten Regeln und ihrer Vorhersagen erheblich verbessert. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Validierung wird ExFaKT vorgestellt, ein Framework zur Konstruktion von Erklärungen für Faktkandidaten. Die Methode transformiert Kandidaten mit Hilfe von Regeln in eine Menge von Aussagen, die leichter zu finden und zu validieren oder widerlegen sind. Die Ausgabe von ExFaKT ist eine Menge semantischer Evidenzen für Faktkandidaten, die aus Textkorpora und dem Wissensgraph extrahiert werden. Experimente zeigen, dass die Transformationen die Ausbeute und Qualität der entdeckten Erklärungen deutlich verbessert. Die generierten unterstützen Erklärungen unterstütze sowohl die manuelle Wissensgraph- Validierung durch Kuratoren als auch die automatische Validierung. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Exploration wird ExCut vorgestellt, eine Methode zur Erzeugung von informativen Entitäts-Clustern mit Erklärungen unter Verwendung von Wissensgraph-Einbettungen und automatisch induzierten Regeln. Eine Cluster-Erklärung besteht aus einer Kombination von Relationen zwischen den Entitäten, die den Cluster identifizieren. ExCut verbessert gleichzeitig die Cluster- Qualität und die Cluster-Erklärbarkeit durch iteratives Verschränken des Lernens von Einbettungen und Regeln. Experimente zeigen, dass ExCut Cluster von hoher Qualität berechnet und dass die Cluster-Erklärungen für Nutzer informativ sind

Méthodes des moments pour l'inférence de systèmes séquentiels linéaires rationnels

Learning stochastic models generating sequences has many applications in natural language processing, speech recognitions or bioinformatics. Multiplicity Automata (MA) are graphical latent variable models that encompass a wide variety of linear systems. In particular, they can model stochastic languages, stochastic processes and controlled processes. Traditional learning algorithms such as the one of Baum-Welch are iterative, slow and may converge to local optima. A recent alternative is to use the Method of Moments (MoM) to design consistent and fast algorithms with pseudo-PAC guarantees.However, MoM-based algorithms have two main disadvantages. First, the PAC guarantees hold only if the size of the learned model corresponds to the size of the target model. Second, although these algorithms learn a function close to the target distribution, most do not ensure it will be a distribution. Thus, a model learned from a finite number of examples may return negative values or values that do not sum to one.This thesis addresses both problems. First, we extend the theoretical guarantees for compressed models, and propose a regularized spectral algorithm that adjusts the size of the model to the data. Then, an application in electronic warfare is proposed to sequence of the dwells of a superheterodyne receiver. Finally, we design new learning algorithms based on the MoM that do not suffer the problem of negative probabilities. We show for one of them pseudo-PAC guarantees.L’apprentissage de modèles stochastiques générant des séquences a de nombreuses applications comme en traitement de la parole, du langage ou bien encore en bio-informatique. Les Automates à Multiplicité (MA) sont des modèles graphiques à variables latentes qui englobent une grande variété de systèmes linéaires pouvant représenter entre autres des langues stochastiques, des processus stochastiques ainsi que des processus contrôlés. Les algorithmes traditionnels d’apprentissage comme celui de Baum-Welch sont itératifs, lent et peuvent converger vers des optima locaux. Une alternative récente consiste à utiliser la méthode des moments (MoM) pour concevoir des algorithmes rapides et consistent avec des garanties pseudo-PAC.Cependant, les algorithmes basés sur la MoM ont deux inconvénients principaux. Tout d'abord, les garanties PAC ne sont valides que si la dimension du modèle appris correspond à la dimension du modèle cible. Deuxièmement, bien que les algorithmes basés sur la MoM apprennent une fonction proche de la distribution cible, la plupart ne contraignent pas celle-ci à être une distribution. Ainsi, un modèle appris à partir d’un nombre fini d’exemples peut renvoyer des valeurs négatives et qui ne somment pas à un.Ainsi, cette thèse s’adresse à ces deux problèmes en proposant 1) un élargissement des garanties théoriques pour les modèles compressés et 2) de nouveaux algorithmes d’apprentissage ne souffrant pas du problème des probabilités négatives et dont certains bénéficient de garanties PAC. Une application en guerre électronique est aussi proposée pour le séquencement des écoutes du récepteur superhétéordyne

Fundamental Approaches to Software Engineering

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Fundamental Approaches to Software Engineering, FASE 2020, which took place in Dublin, Ireland, in April 2020, and was held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2020. The 23 full papers, 1 tool paper and 6 testing competition papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 81 submissions. The papers cover topics such as requirements engineering, software architectures, specification, software quality, validation, verification of functional and non-functional properties, model-driven development and model transformation, software processes, security and software evolution

Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems

This open access two-volume set constitutes the proceedings of the 27th International Conference on Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems, TACAS 2021, which was held during March 27 – April 1, 2021, as part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2021. The conference was planned to take place in Luxembourg and changed to an online format due to the COVID-19 pandemic. The total of 41 full papers presented in the proceedings was carefully reviewed and selected from 141 submissions. The volume also contains 7 tool papers; 6 Tool Demo papers, 9 SV-Comp Competition Papers. The papers are organized in topical sections as follows: Part I: Game Theory; SMT Verification; Probabilities; Timed Systems; Neural Networks; Analysis of Network Communication. Part II: Verification Techniques (not SMT); Case Studies; Proof Generation/Validation; Tool Papers; Tool Demo Papers; SV-Comp Tool Competition Papers