Finding representative nodes in probabilistic graphs

Peer reviewe

Menetelmiä mielenkiintoisten solmujen löytämiseen verkostoista

With the increasing amount of graph-structured data available, finding interesting objects, i.e., nodes in graphs, becomes more and more important. In this thesis we focus on finding interesting nodes and sets of nodes in graphs or networks. We propose several definitions of node interestingness as well as different methods to find such nodes. Specifically, we propose to consider nodes as interesting based on their relevance and non-redundancy or representativeness w.r.t. the graph topology, as well as based on their characterisation for a class, such as a given node attribute value. Identifying nodes that are relevant, but non-redundant to each other is motivated by the need to get an overview of different pieces of information related to a set of given nodes. Finding representative nodes is of interest, e.g. when the user needs or wants to select a few nodes that abstract the large set of nodes. Discovering nodes characteristic for a class helps to understand the causes behind that class. Next, four methods are proposed to find a representative set of interesting nodes. The first one incrementally picks one interesting node after another. The second iteratively changes the set of nodes to improve its overall interestingness. The third method clusters nodes and picks a medoid node as a representative for each cluster. Finally, the fourth method contrasts diverse sets of nodes in order to select nodes characteristic for their class, even if the classes are not identical across the selected nodes. The first three methods are relatively simple and are based on the graph topology and a similarity or distance function for nodes. For the second and third, the user needs to specify one parameter, either an initial set of k nodes or k, the size of the set. The fourth method assumes attributes and class attributes for each node, a class-related interesting measure, and possible sets of nodes which the user wants to contrast, such as sets of nodes that represent different time points. All four methods are flexible and generic. They can, in principle, be applied on any weighted graph or network regardless of what nodes, edges, weights, or attributes represent. Application areas for the methods developed in this thesis include word co-occurrence networks, biological networks, social networks, data traffic networks, and the World Wide Web. As an illustrating example, consider a word co-occurrence network. There, finding terms (nodes in the graph) that are relevant to some given nodes, e.g. branch and root, may help to identify different, shared contexts such as botanics, mathematics, and linguistics. A real life application lies in biology where finding nodes (biological entities, e.g. biological processes or pathways) that are relevant to other, given nodes (e.g. some genes or proteins) may help in identifying biological mechanisms that are possibly shared by both the genes and proteins.Väitöskirja käsittelee verkostojen louhinnan menetelmiä. Sen tavoitteena on löytää mielenkiintoisia tietoja painotetuista verkoista. Painotettuna verkkona voi tarkastella esim. tekstiainestoja, biologisia ainestoja, ihmisten välisiä yhteyksiä tai internettiä. Tällaisissa verkoissa solmut edustavat käsitteitä (esim. sanoja, geenejä, ihmisiä tai internetsivuja) ja kaaret niiden välisiä suhteita (esim. kaksi sanaa esiintyy samassa lauseessa, geeni koodaa proteiinia, ihmisten ystävyyksiä tai internetsivu viittaa toiseen internetsivuun). Kaarten painot voivat vastata esimerkiksi yhteyden voimakuutta tai luotettavuutta. Väitöskirjassa esitetään erilaisia verkon rakenteeseen tai solmujen attribuutteihin perustuvia määritelmiä solmujen mielenkiintoisuudelle sekä useita menetelmiä mielenkiintoisten solmujen löytämiseksi. Mielenkiintoisuuden voi määritellä esim. merkityksellisyytenä suhteessa joihinkin annettuihin solmuihin ja toisaalta mielenkiintoisten solmujen keskinäisenä erilaisuutena. Esimerkiksi ns. ahneella menetelmällä voidaan löytää keskenään erilaisia solmuja yksi kerrallaan. Väitöskirjan tuloksia voidaan soveltaa esimerkiksi tekstiaineistoa käsittelemällä saatuun sanojen väliseen verkostoon, jossa kahden sanan välillä on sitä voimakkaampi yhteys mitä useammin ne tapaavat esiintyä keskenään samoissa lauseissa. Sanojen erilaisia käyttöyhteyksiä ja jopa merkityksiä voidaan nyt löytää automaattisesti. Jos kohdesanaksi otetaan vaikkapa "juuri", niin siihen liittyviä mutta keskenään toisiinsa liittymättömiä sanoja ovat "puu" (biologinen merkitys: kasvin juuri), "yhtälö" (matemaattinen merkitys: yhtälön ratkaisu eli juuri) sekä "indoeurooppalainen" (kielitieteellinen merkitys: sanan vartalo eli juuri). Tällaisia menetelmiä voidaan soveltaa esimerkiksi hakukoneessa: sanalla "juuri" tehtyihin hakutuloksiin sisällytetään tuloksia mahdollisimman erilaisista käyttöyhteyksistä, jotta käyttäjän tarkoittama merkitys tulisi todennäköisemmin katetuksi hakutuloksissa. Merkittävä sovelluskohde väitöskirjan menetelmille ovat biologiset verkot, joissa solmut edustavat biologisia käsitteitä (esim. geenejä, proteiineja tai sairauksia) ja kaaret niiden välisiä suhteita (esim. geeni koodaa proteiinia tai proteiini on aktiivinen tietyssä sairauksessa). Menetelmillä voidaan etsiä esimerkiksi sairauksiin vaikuttavia biologisia mekanismeja paikantamalla edustava joukko sairauteen ja siihen mahdollisesti liittyviin geeneihin verkostossa kytkeytyviä muita solmuja. Nämä voivat auttaa biologeja ymmärtämään geenien ja sairauden mahdollisia kytköksiä ja siten kohdentamaan jatkotutkimustaan lupaavimpiin geeneihin, proteiineihin tms. Väitöskirjassa esitetyt solmujen mielenkiintoisuuden määritelmät sekä niiden löytämiseen ehdotetut menetelmät ovat yleispäteviä ja niitä voi soveltaa periaatteessa mihin tahansa verkkoon riippumatta siitä, mitä solmut, kaaret tai painot edustavat. Kokeet erilaisilla verkoilla osoittavat että ne löytävät mielenkiintoisia solmuja

Bioinformatics Applications Based On Machine Learning

The great advances in information technology (IT) have implications for many sectors, such as bioinformatics, and has considerably increased their possibilities. This book presents a collection of 11 original research papers, all of them related to the application of IT-related techniques within the bioinformatics sector: from new applications created from the adaptation and application of existing techniques to the creation of new methodologies to solve existing problems