Entropy-scaling search of massive biological data

Many datasets exhibit a well-defined structure that can be exploited to design faster search tools, but it is not always clear when such acceleration is possible. Here, we introduce a framework for similarity search based on characterizing a dataset's entropy and fractal dimension. We prove that searching scales in time with metric entropy (number of covering hyperspheres), if the fractal dimension of the dataset is low, and scales in space with the sum of metric entropy and information-theoretic entropy (randomness of the data). Using these ideas, we present accelerated versions of standard tools, with no loss in specificity and little loss in sensitivity, for use in three domains---high-throughput drug screening (Ammolite, 150x speedup), metagenomics (MICA, 3.5x speedup of DIAMOND [3,700x BLASTX]), and protein structure search (esFragBag, 10x speedup of FragBag). Our framework can be used to achieve "compressive omics," and the general theory can be readily applied to data science problems outside of biology.Comment: Including supplement: 41 pages, 6 figures, 4 tables, 1 bo

Data mining using concepts of independence, unimodality and homophily

With the widespread use of information technologies, more and more complex data is generated and collected every day. Such complex data is various in structure, size, type and format, e.g. time series, texts, images, videos and graphs. Complex data is often high-dimensional and heterogeneous, which makes the separation of the wheat (knowledge) from the chaff (noise) more difficult. Clustering is a main mode of knowledge discovery from complex data, which groups objects in such a way that intra-group objects are more similar than inter-group objects. Traditional clustering methods such as k-means, Expectation-Maximization clustering (EM), DBSCAN and spectral clustering are either deceived by "the curse of dimensionality" or spoiled by heterogenous information. So, how to effectively explore complex data? In some cases, people may only have some partial information about the complex data. For example, in social networks, not every user provides his/her profile information such as the personal interests. Can we leverage the limited user information and friendship network wisely to infer the likely labels of the unlabeled users so that the advertisers can do accurate advertising? This is the problem of learning from labeled and unlabeled data, which is literarily attributed to semi-supervised classification. To gain insights into these problems, this thesis focuses on developing clustering and semi-supervised classification methods that are driven by the concepts of independence, unimodality and homophily. The proposed methods leverage techniques from diverse areas, such as statistics, information theory, graph theory, signal processing, optimization and machine learning. Specifically, this thesis develops four methods, i.e. FUSE, ISAAC, UNCut, and wvGN. FUSE and ISAAC are clustering techniques to discover statistically independent patterns from high-dimensional numerical data. UNCut is a clustering technique to discover unimodal clusters in attributed graphs in which not all the attributes are relevant to the graph structure. wvGN is a semi-supervised classification technique using the theory of homophily to infer the labels of the unlabeled vertices in graphs. We have verified our clustering and semi-supervised classification methods on various synthetic and real-world data sets. The results are superior to those of the state-of-the-art.Täglich werden durch den weit verbreiteten Einsatz von Informationstechnologien mehr und mehr komplexe Daten generiert und gesammelt. Diese komplexen Daten unterscheiden sich in der Struktur, Größe, Art und Format. Häufig anzutreffen sind beispielsweise Zeitreihen, Texte, Bilder, Videos und Graphen. Dabei sind diese Daten meist hochdimensional und heterogen, was die Trennung des Weizens ( Wissen ) von der Spreu ( Rauschen ) erschwert. Die Cluster Analyse ist dabei eine der wichtigsten Methoden um aus komplexen Daten wssen zu extrahieren. Dabei werden die Objekte eines Datensatzes in einer solchen Weise gruppiert, dass intra-gruppierte Objekte ähnlicher sind als Objekte anderer Gruppen. Der Einsatz von traditionellen Clustering-Methoden wie k-Means, Expectation-Maximization (EM), DBSCAN und Spektralclustering wird dabei entweder "durch der Fluch der Dimensionalität" erschwert oder ist angesichts der heterogenen Information nicht möglich. Wie erforscht man also solch komplexe Daten effektiv? Darüber hinaus ist es oft der Fall, dass für Objekte solcher Datensätze nur partiell Informationen vorliegen. So gibt in sozialen Netzwerken nicht jeder Benutzer seine Profil-Informationen wie die persönlichen Interessen frei. Können wir diese eingeschränkten Benutzerinformation trotzdem in Kombination mit dem Freundschaftsnetzwerk nutzen, um von von wenigen, einer Klasse zugeordneten Nutzern auf die anderen zu schließen. Beispielsweise um zielgerichtete Werbung zu schalten? Dieses Problem des Lernens aus klassifizierten und nicht klassifizierten Daten wird dem semi-supversised Learning zugeordnet. Um Einblicke in diese Probleme zu gewinnen, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung von Clustering- und semi-überwachten Klassifikationsmethoden, die von den Konzepten der Unabhängigkeit, Unimodalität und Homophilie angetrieben werden. Die vorgeschlagenen Methoden nutzen Techniken aus verschiedenen Bereichen der Statistik, Informationstheorie, Graphentheorie, Signalverarbeitung, Optimierung und des maschinelles Lernen. Dabei stellt diese Arbeit vier Techniken vor: FUSE, ISAAC, UNCut, sowie wvGN. FUSE und ISAAC sind Clustering-Techniken, um statistisch unabhängige Muster aus hochdimensionalen numerischen Daten zu entdecken. UNCut ist eine Clustering-Technik, um unimodale Cluster in attributierten Graphen zu entdecken, in denen die Kanten und Attribute heterogene Informationen liefern. wvGN ist eine halbüberwachte Klassifikationstechnik, die Homophilie verwendet, um von gelabelten Kanten auf ungelabelte Kanten im Graphen zu schließen. Wir haben diese Clustering und semi-überwachten Klassifizierungsmethoden auf verschiedenen synthetischen und realen Datensätze überprüft. Die Ergebnisse sind denen von bisherigen State-of-the-Art-Methoden überlegen