Nonlinear System Identification via Tensor Completion

Function approximation from input and output data pairs constitutes a fundamental problem in supervised learning. Deep neural networks are currently the most popular method for learning to mimic the input-output relationship of a general nonlinear system, as they have proven to be very effective in approximating complex highly nonlinear functions. In this work, we show that identifying a general nonlinear function $y = f(x_1,\ldots,x_N)$ from input-output examples can be formulated as a tensor completion problem and under certain conditions provably correct nonlinear system identification is possible. Specifically, we model the interactions between the $N$ input variables and the scalar output of a system by a single $N$-way tensor, and setup a weighted low-rank tensor completion problem with smoothness regularization which we tackle using a block coordinate descent algorithm. We extend our method to the multi-output setting and the case of partially observed data, which cannot be readily handled by neural networks. Finally, we demonstrate the effectiveness of the approach using several regression tasks including some standard benchmarks and a challenging student grade prediction task.Comment: AAAI 202

Scalable statistical learning for relation prediction on structured data

Relation prediction seeks to predict unknown but potentially true relations by revealing missing relations in available data, by predicting future events based on historical data, and by making predicted relations retrievable by query. The approach developed in this thesis can be used for a wide variety of purposes, including to predict likely new friends on social networks, attractive points of interest for an individual visiting an unfamiliar city, and associations between genes and particular diseases. In recent years, relation prediction has attracted significant interest in both research and application domains, partially due to the increasing volume of published structured data and background knowledge. In the Linked Open Data initiative of the Semantic Web, for instance, entities are uniquely identified such that the published information can be integrated into applications and services, and the rapid increase in the availability of such structured data creates excellent opportunities as well as challenges for relation prediction. This thesis focuses on the prediction of potential relations by exploiting regularities in data using statistical relational learning algorithms and applying these methods to relational knowledge bases, in particular in Linked Open Data in particular. We review representative statistical relational learning approaches, e.g., Inductive Logic Programming and Probabilistic Relational Models. While logic-based reasoning can infer and include new relations via deduction by using ontologies, machine learning can be exploited to predict new relations (with some degree of certainty) via induction, purely based on the data. Because the application of machine learning approaches to relation prediction usually requires handling large datasets, we also discuss the scalability of machine learning as a solution to relation prediction, as well as the significant challenge posed by incomplete relational data (such as social network data, which is often much more extensive for some users than others). The main contribution of this thesis is to develop a learning framework called the Statistical Unit Node Set (SUNS) and to propose a multivariate prediction approach used in the framework. We argue that multivariate prediction approaches are most suitable for dealing with large, sparse data matrices. According to the characteristics and intended application of the data, the approach can be extended in different ways. We discuss and test two extensions of the approach--kernelization and a probabilistic method of handling complex n-ary relationships--in empirical studies based on real-world data sets. Additionally, this thesis contributes to the field of relation prediction by applying the SUNS framework to various domains. We focus on three applications: 1. In social network analysis, we present a combined approach of inductive and deductive reasoning for recommending movies to users. 2. In the life sciences, we address the disease gene prioritization problem. 3. In the recommendation system, we describe and investigate the back-end of a mobile app called BOTTARI, which provides personalized location-based recommendations of restaurants.Die Beziehungsvorhersage strebt an, unbekannte aber potenziell wahre Beziehungen vorherzusagen, indem fehlende Relationen in verfügbaren Daten aufgedeckt, zukünftige Ereignisse auf der Grundlage historischer Daten prognostiziert und vorhergesagte Relationen durch Anfragen abrufbar gemacht werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz lässt sich für eine Vielzahl von Zwecken einschließlich der Vorhersage wahrscheinlicher neuer Freunde in sozialen Netzen, der Empfehlung attraktiver Sehenswürdigkeiten für Touristen in fremden Städten und der Priorisierung möglicher Assoziationen zwischen Genen und bestimmten Krankheiten, verwenden. In den letzten Jahren hat die Beziehungsvorhersage sowohl in Forschungs- als auch in Anwendungsbereichen eine enorme Aufmerksamkeit erregt, aufgrund des Zuwachses veröffentlichter strukturierter Daten und von Hintergrundwissen. In der Linked Open Data-Initiative des Semantischen Web werden beispielsweise Entitäten eindeutig identifiziert, sodass die veröffentlichten Informationen in Anwendungen und Dienste integriert werden können. Diese rapide Erhöhung der Verfügbarkeit strukturierter Daten bietet hervorragende Gelegenheiten sowie Herausforderungen für die Beziehungsvorhersage. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Vorhersage potenzieller Beziehungen durch Ausnutzung von Regelmäßigkeiten in Daten unter der Verwendung statistischer relationaler Lernalgorithmen und durch Einsatz dieser Methoden in relationale Wissensbasen, insbesondere in den Linked Open Daten. Wir geben einen Überblick über repräsentative statistische relationale Lernansätze, z.B. die Induktive Logikprogrammierung und Probabilistische Relationale Modelle. Während das logikbasierte Reasoning neue Beziehungen unter der Nutzung von Ontologien ableiten und diese einbeziehen kann, kann maschinelles Lernen neue Beziehungen (mit gewisser Wahrscheinlichkeit) durch Induktion ausschließlich auf der Basis der vorliegenden Daten vorhersagen. Da die Verarbeitung von massiven Datenmengen in der Regel erforderlich ist, wenn maschinelle Lernmethoden in die Beziehungsvorhersage eingesetzt werden, diskutieren wir auch die Skalierbarkeit des maschinellen Lernens sowie die erhebliche Herausforderung, die sich aus unvollständigen relationalen Daten ergibt (z. B. Daten aus sozialen Netzen, die oft für manche Benutzer wesentlich umfangreicher sind als für Anderen). Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Lernframework namens Statistical Unit Node Set (SUNS) zu entwickeln und einen im Framework angewendeten multivariaten Prädiktionsansatz einzubringen. Wir argumentieren, dass multivariate Vorhersageansätze am besten für die Bearbeitung von großen und dünnbesetzten Datenmatrizen geeignet sind. Je nach den Eigenschaften und der beabsichtigten Anwendung der Daten kann der Ansatz auf verschiedene Weise erweitert werden. In empirischen Studien werden zwei Erweiterungen des Ansatzes--ein kernelisierter Ansatz sowie ein probabilistischer Ansatz zur Behandlung komplexer n-stelliger Beziehungen-- diskutiert und auf realen Datensätzen untersucht. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Anwendung des SUNS Frameworks auf verschiedene Bereiche. Wir konzentrieren uns auf drei Anwendungen: 1. In der Analyse sozialer Netze stellen wir einen kombinierten Ansatz von induktivem und deduktivem Reasoning vor, um Benutzern Filme zu empfehlen. 2. In den Biowissenschaften befassen wir uns mit dem Problem der Priorisierung von Krankheitsgenen. 3. In den Empfehlungssystemen beschreiben und untersuchen wir das Backend einer mobilen App "BOTTARI", das personalisierte ortsbezogene Empfehlungen von Restaurants bietet

Scalable statistical learning for relation prediction on structured data

Relation prediction seeks to predict unknown but potentially true relations by revealing missing relations in available data, by predicting future events based on historical data, and by making predicted relations retrievable by query. The approach developed in this thesis can be used for a wide variety of purposes, including to predict likely new friends on social networks, attractive points of interest for an individual visiting an unfamiliar city, and associations between genes and particular diseases. In recent years, relation prediction has attracted significant interest in both research and application domains, partially due to the increasing volume of published structured data and background knowledge. In the Linked Open Data initiative of the Semantic Web, for instance, entities are uniquely identified such that the published information can be integrated into applications and services, and the rapid increase in the availability of such structured data creates excellent opportunities as well as challenges for relation prediction. This thesis focuses on the prediction of potential relations by exploiting regularities in data using statistical relational learning algorithms and applying these methods to relational knowledge bases, in particular in Linked Open Data in particular. We review representative statistical relational learning approaches, e.g., Inductive Logic Programming and Probabilistic Relational Models. While logic-based reasoning can infer and include new relations via deduction by using ontologies, machine learning can be exploited to predict new relations (with some degree of certainty) via induction, purely based on the data. Because the application of machine learning approaches to relation prediction usually requires handling large datasets, we also discuss the scalability of machine learning as a solution to relation prediction, as well as the significant challenge posed by incomplete relational data (such as social network data, which is often much more extensive for some users than others). The main contribution of this thesis is to develop a learning framework called the Statistical Unit Node Set (SUNS) and to propose a multivariate prediction approach used in the framework. We argue that multivariate prediction approaches are most suitable for dealing with large, sparse data matrices. According to the characteristics and intended application of the data, the approach can be extended in different ways. We discuss and test two extensions of the approach--kernelization and a probabilistic method of handling complex n-ary relationships--in empirical studies based on real-world data sets. Additionally, this thesis contributes to the field of relation prediction by applying the SUNS framework to various domains. We focus on three applications: 1. In social network analysis, we present a combined approach of inductive and deductive reasoning for recommending movies to users. 2. In the life sciences, we address the disease gene prioritization problem. 3. In the recommendation system, we describe and investigate the back-end of a mobile app called BOTTARI, which provides personalized location-based recommendations of restaurants.Die Beziehungsvorhersage strebt an, unbekannte aber potenziell wahre Beziehungen vorherzusagen, indem fehlende Relationen in verfügbaren Daten aufgedeckt, zukünftige Ereignisse auf der Grundlage historischer Daten prognostiziert und vorhergesagte Relationen durch Anfragen abrufbar gemacht werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz lässt sich für eine Vielzahl von Zwecken einschließlich der Vorhersage wahrscheinlicher neuer Freunde in sozialen Netzen, der Empfehlung attraktiver Sehenswürdigkeiten für Touristen in fremden Städten und der Priorisierung möglicher Assoziationen zwischen Genen und bestimmten Krankheiten, verwenden. In den letzten Jahren hat die Beziehungsvorhersage sowohl in Forschungs- als auch in Anwendungsbereichen eine enorme Aufmerksamkeit erregt, aufgrund des Zuwachses veröffentlichter strukturierter Daten und von Hintergrundwissen. In der Linked Open Data-Initiative des Semantischen Web werden beispielsweise Entitäten eindeutig identifiziert, sodass die veröffentlichten Informationen in Anwendungen und Dienste integriert werden können. Diese rapide Erhöhung der Verfügbarkeit strukturierter Daten bietet hervorragende Gelegenheiten sowie Herausforderungen für die Beziehungsvorhersage. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Vorhersage potenzieller Beziehungen durch Ausnutzung von Regelmäßigkeiten in Daten unter der Verwendung statistischer relationaler Lernalgorithmen und durch Einsatz dieser Methoden in relationale Wissensbasen, insbesondere in den Linked Open Daten. Wir geben einen Überblick über repräsentative statistische relationale Lernansätze, z.B. die Induktive Logikprogrammierung und Probabilistische Relationale Modelle. Während das logikbasierte Reasoning neue Beziehungen unter der Nutzung von Ontologien ableiten und diese einbeziehen kann, kann maschinelles Lernen neue Beziehungen (mit gewisser Wahrscheinlichkeit) durch Induktion ausschließlich auf der Basis der vorliegenden Daten vorhersagen. Da die Verarbeitung von massiven Datenmengen in der Regel erforderlich ist, wenn maschinelle Lernmethoden in die Beziehungsvorhersage eingesetzt werden, diskutieren wir auch die Skalierbarkeit des maschinellen Lernens sowie die erhebliche Herausforderung, die sich aus unvollständigen relationalen Daten ergibt (z. B. Daten aus sozialen Netzen, die oft für manche Benutzer wesentlich umfangreicher sind als für Anderen). Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Lernframework namens Statistical Unit Node Set (SUNS) zu entwickeln und einen im Framework angewendeten multivariaten Prädiktionsansatz einzubringen. Wir argumentieren, dass multivariate Vorhersageansätze am besten für die Bearbeitung von großen und dünnbesetzten Datenmatrizen geeignet sind. Je nach den Eigenschaften und der beabsichtigten Anwendung der Daten kann der Ansatz auf verschiedene Weise erweitert werden. In empirischen Studien werden zwei Erweiterungen des Ansatzes--ein kernelisierter Ansatz sowie ein probabilistischer Ansatz zur Behandlung komplexer n-stelliger Beziehungen-- diskutiert und auf realen Datensätzen untersucht. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Anwendung des SUNS Frameworks auf verschiedene Bereiche. Wir konzentrieren uns auf drei Anwendungen: 1. In der Analyse sozialer Netze stellen wir einen kombinierten Ansatz von induktivem und deduktivem Reasoning vor, um Benutzern Filme zu empfehlen. 2. In den Biowissenschaften befassen wir uns mit dem Problem der Priorisierung von Krankheitsgenen. 3. In den Empfehlungssystemen beschreiben und untersuchen wir das Backend einer mobilen App "BOTTARI", das personalisierte ortsbezogene Empfehlungen von Restaurants bietet

Outlier-Resilient Web Service QoS Prediction

The proliferation of Web services makes it difficult for users to select the most appropriate one among numerous functionally identical or similar service candidates. Quality-of-Service (QoS) describes the non-functional characteristics of Web services, and it has become the key differentiator for service selection. However, users cannot invoke all Web services to obtain the corresponding QoS values due to high time cost and huge resource overhead. Thus, it is essential to predict unknown QoS values. Although various QoS prediction methods have been proposed, few of them have taken outliers into consideration, which may dramatically degrade the prediction performance. To overcome this limitation, we propose an outlier-resilient QoS prediction method in this paper. Our method utilizes Cauchy loss to measure the discrepancy between the observed QoS values and the predicted ones. Owing to the robustness of Cauchy loss, our method is resilient to outliers. We further extend our method to provide time-aware QoS prediction results by taking the temporal information into consideration. Finally, we conduct extensive experiments on both static and dynamic datasets. The results demonstrate that our method is able to achieve better performance than state-of-the-art baseline methods.Comment: 12 pages, to appear at the Web Conference (WWW) 202

Cross domain recommender systems using matrix and tensor factorization

Today, the amount and importance of available data on the internet are growing exponentially. These digital data has become a primary source of information and the people’s life bonded to them tightly. The data comes in diverse shapes and from various resources and users utilize them in almost all their personal or social activities. However, selecting a desirable option from the huge list of available options can be really frustrating and time-consuming. Recommender systems aim to ease this process by finding the proper items which are more likely to be interested by users. Undoubtedly, there is not even one social media or online service which can continue its’ work properly without using recommender systems. On the other hand, almost all available recommendation techniques suffer from some common issues: the data sparsity, the cold-start, and the new-user problems. This thesis tackles the mentioned problems using different methods. While, most of the recommender methods rely on using single domain information, in this thesis, the main focus is on using multi-domain information to create cross-domain recommender systems. A cross-domain recommender system is not only able to handle the cold-start and new-user situations much better, but it also helps to incorporate different features exposed in diverse domains together and capture a better understanding of the users’ preferences which means producing more accurate recommendations. In this thesis, a pre-clustering stage is proposed to reduce the data sparsity as well. Various cross-domain knowledge-based recommender systems are suggested to recommend items in two popular social media, the Twitter and LinkedIn, by using different information available in both domains. The state of art techniques in this field, namely matrix factorization and tensor decomposition, are implemented to develop cross-domain recommender systems. The presented recommender systems based on the coupled nonnegative matrix factorization and PARAFAC-style tensor decomposition are evaluated using real-world datasets and it is shown that they superior to the baseline matrix factorization collaborative filtering. In addition, network analysis is performed on the extracted data from Twitter and LinkedIn