Artificial Intelligence and Statistics

Artificial intelligence (AI) is intrinsically data-driven. It calls for the application of statistical concepts through human-machine collaboration during generation of data, development of algorithms, and evaluation of results. This paper discusses how such human-machine collaboration can be approached through the statistical concepts of population, question of interest, representativeness of training data, and scrutiny of results (PQRS). The PQRS workflow provides a conceptual framework for integrating statistical ideas with human input into AI products and research. These ideas include experimental design principles of randomization and local control as well as the principle of stability to gain reproducibility and interpretability of algorithms and data results. We discuss the use of these principles in the contexts of self-driving cars, automated medical diagnoses, and examples from the authors' collaborative research

Heterogeneous Treatment and Spillover Effects under Clustered Network Interference

The bulk of causal inference studies rules out the presence of interference between units. However, in many real-world settings units are interconnected by social, physical or virtual ties and the effect of a treatment can spill from one unit to other connected individuals in the network. In these settings, interference should be taken into account to avoid biased estimates of the treatment effect, but it can also be leveraged to save resources and provide the intervention to a lower percentage of the population where the treatment is more effective and where the effect can spill over to other susceptible individuals. In fact, different people might respond differently not only to the treatment received but also to the treatment received by their network contacts. Understanding the heterogeneity of treatment and spillover effects can help policy-makers in the scale-up phase of the intervention, it can guide the design of targeting strategies with the ultimate goal of making the interventions more cost-effective, and it might even allow generalizing the level of treatment spillover effects in other populations. In this paper, we develop a machine learning method that makes use of tree-based algorithms and an Horvitz-Thompson estimator to assess the heterogeneity of treatment and spillover effects with respect to individual, neighborhood and network characteristics in the context of clustered network interference. We illustrate how the proposed binary tree methodology performs in a Monte Carlo simulation study. Additionally, we provide an application on a randomized experiment aimed at assessing the heterogeneous effects of information sessions on the uptake of a new weather insurance policy in rural China

Improving Demand Forecasting: The Challenge of Forecasting Studies Comparability and a Novel Approach to Hierarchical Time Series Forecasting

Bedarfsprognosen sind in der Wirtschaft unerlässlich. Anhand des erwarteten Kundenbe-darfs bestimmen Firmen beispielsweise welche Produkte sie entwickeln, wie viele Fabri-ken sie bauen, wie viel Personal eingestellt wird oder wie viel Rohmaterial geordert wer-den muss. Fehleinschätzungen bei Bedarfsprognosen können schwerwiegende Auswir-kungen haben, zu Fehlentscheidungen führen, und im schlimmsten Fall den Bankrott einer Firma herbeiführen. Doch in vielen Fällen ist es komplex, den tatsächlichen Bedarf in der Zukunft zu antizipie-ren. Die Einflussfaktoren können vielfältig sein, beispielsweise makroökonomische Ent-wicklung, das Verhalten von Wettbewerbern oder technologische Entwicklungen. Selbst wenn alle Einflussfaktoren bekannt sind, sind die Zusammenhänge und Wechselwirkun-gen häufig nur schwer zu quantifizieren. Diese Dissertation trägt dazu bei, die Genauigkeit von Bedarfsprognosen zu verbessern. Im ersten Teil der Arbeit wird im Rahmen einer überfassenden Übersicht über das gesamte Spektrum der Anwendungsfelder von Bedarfsprognosen ein neuartiger Ansatz eingeführt, wie Studien zu Bedarfsprognosen systematisch verglichen werden können und am Bei-spiel von 116 aktuellen Studien angewandt. Die Vergleichbarkeit von Studien zu verbes-sern ist ein wesentlicher Beitrag zur aktuellen Forschung. Denn anders als bspw. in der Medizinforschung, gibt es für Bedarfsprognosen keine wesentlichen vergleichenden quan-titativen Meta-Studien. Der Grund dafür ist, dass empirische Studien für Bedarfsprognosen keine vereinheitlichte Beschreibung nutzen, um ihre Daten, Verfahren und Ergebnisse zu beschreiben. Wenn Studien hingegen durch systematische Beschreibung direkt miteinan-der verglichen werden können, ermöglicht das anderen Forschern besser zu analysieren, wie sich Variationen in Ansätzen auf die Prognosegüte auswirken – ohne die aufwändige Notwendigkeit, empirische Experimente erneut durchzuführen, die bereits in Studien beschrieben wurden. Diese Arbeit führt erstmals eine solche Systematik zur Beschreibung ein. Der weitere Teil dieser Arbeit behandelt Prognoseverfahren für intermittierende Zeitreihen, also Zeitreihen mit wesentlichem Anteil von Bedarfen gleich Null. Diese Art der Zeitreihen erfüllen die Anforderungen an Stetigkeit der meisten Prognoseverfahren nicht, weshalb gängige Verfahren häufig ungenügende Prognosegüte erreichen. Gleichwohl ist die Rele-vanz intermittierender Zeitreihen hoch – insbesondere Ersatzteile weisen dieses Bedarfs-muster typischerweise auf. Zunächst zeigt diese Arbeit in drei Studien auf, dass auch die getesteten Stand-der-Technik Machine Learning Ansätze bei einigen bekannten Datensät-zen keine generelle Verbesserung herbeiführen. Als wesentlichen Beitrag zur Forschung zeigt diese Arbeit im Weiteren ein neuartiges Verfahren auf: Der Similarity-based Time Series Forecasting (STSF) Ansatz nutzt ein Aggregation-Disaggregationsverfahren basie-rend auf einer selbst erzeugten Hierarchie statistischer Eigenschaften der Zeitreihen. In Zusammenhang mit dem STSF Ansatz können alle verfügbaren Prognosealgorithmen eingesetzt werden – durch die Aggregation wird die Stetigkeitsbedingung erfüllt. In Expe-rimenten an insgesamt sieben öffentlich bekannten Datensätzen und einem proprietären Datensatz zeigt die Arbeit auf, dass die Prognosegüte (gemessen anhand des Root Mean Square Error RMSE) statistisch signifikant um 1-5% im Schnitt gegenüber dem gleichen Verfahren ohne Einsatz von STSF verbessert werden kann. Somit führt das Verfahren eine wesentliche Verbesserung der Prognosegüte herbei. Zusammengefasst trägt diese Dissertation zum aktuellen Stand der Forschung durch die zuvor genannten Verfahren wesentlich bei. Das vorgeschlagene Verfahren zur Standardi-sierung empirischer Studien beschleunigt den Fortschritt der Forschung, da sie verglei-chende Studien ermöglicht. Und mit dem STSF Verfahren steht ein Ansatz bereit, der zuverlässig die Prognosegüte verbessert, und dabei flexibel mit verschiedenen Arten von Prognosealgorithmen einsetzbar ist. Nach dem Erkenntnisstand der umfassenden Literatur-recherche sind keine vergleichbaren Ansätze bislang beschrieben worden

Regression adjustments for estimating the global treatment effect in experiments with interference

Standard estimators of the global average treatment effect can be biased in the presence of interference. This paper proposes regression adjustment estimators for removing bias due to interference in Bernoulli randomized experiments. We use a fitted model to predict the counterfactual outcomes of global control and global treatment. Our work differs from standard regression adjustments in that the adjustment variables are constructed from functions of the treatment assignment vector, and that we allow the researcher to use a collection of any functions correlated with the response, turning the problem of detecting interference into a feature engineering problem. We characterize the distribution of the proposed estimator in a linear model setting and connect the results to the standard theory of regression adjustments under SUTVA. We then propose an estimator that allows for flexible machine learning estimators to be used for fitting a nonlinear interference functional form. We propose conducting statistical inference via bootstrap and resampling methods, which allow us to sidestep the complicated dependences implied by interference and instead rely on empirical covariance structures. Such variance estimation relies on an exogeneity assumption akin to the standard unconfoundedness assumption invoked in observational studies. In simulation experiments, our methods are better at debiasing estimates than existing inverse propensity weighted estimators based on neighborhood exposure modeling. We use our method to reanalyze an experiment concerning weather insurance adoption conducted on a collection of villages in rural China.Comment: 38 pages, 7 figure

A Comparative Analysis of Ensemble Classifiers: Case Studies in Genomics

The combination of multiple classifiers using ensemble methods is increasingly important for making progress in a variety of difficult prediction problems. We present a comparative analysis of several ensemble methods through two case studies in genomics, namely the prediction of genetic interactions and protein functions, to demonstrate their efficacy on real-world datasets and draw useful conclusions about their behavior. These methods include simple aggregation, meta-learning, cluster-based meta-learning, and ensemble selection using heterogeneous classifiers trained on resampled data to improve the diversity of their predictions. We present a detailed analysis of these methods across 4 genomics datasets and find the best of these methods offer statistically significant improvements over the state of the art in their respective domains. In addition, we establish a novel connection between ensemble selection and meta-learning, demonstrating how both of these disparate methods establish a balance between ensemble diversity and performance.Comment: 10 pages, 3 figures, 8 tables, to appear in Proceedings of the 2013 International Conference on Data Minin

Leveraging Mobile App Classification and User Context Information for Improving Recommendation Systems

Mobile apps play a significant role in current online environments where there is an overwhelming supply of information. Although mobile apps are part of our daily routine, searching and finding mobile apps is becoming a nontrivial task due to the current volume, velocity and variety of information. Therefore, app recommender systems provide users’ desired apps based on their preferences. However, current recommender systems and their underlying techniques are limited in effectively leveraging app classification schemes and context information. In this thesis, I attempt to address this gap by proposing a text analytics framework for mobile app recommendation by leveraging an app classification scheme that incorporates the needs of users as well as the complexity of the user-item-context information in mobile app usage pattern. In this recommendation framework, I adopt and empirically test an app classification scheme based on textual information about mobile apps using data from Google Play store. In addition, I demonstrate how context information such as user social media status can be matched with app classification categories using tree-based and rule-based prediction algorithms. Methodology wise, my research attempts to show the feasibility of textual data analysis in profiling apps based on app descriptions and other structured attributes, as well as explore mechanisms for matching user preferences and context information with app usage categories. Practically, the proposed text analytics framework can allow app developers reach a wider usage base through better understanding of user motivation and context information