Robust cartogram visualization of outliers in manifold learning

Most real data sets contain atypical observations, often referred to as outliers. Their presence may have a negative impact in data modeling using machine learning. This is particularly the case in data density estimation approaches. Manifold learning techniques provide low-dimensional data representations, often oriented towards visualization. The visualization provided by density estimation manifold learning methods can be compromised by the presence of outliers. Recently, a cartogram-based representation of model-generated distortion was presented for nonlinear dimensionality reduction. Here, we investigate the impact of outliers on this visualization when using manifold learning techniques that behave robustly in their presence.Postprint (published version

Visualization and interpretability in probabilistic dimensionality reduction models

Over the last few decades, data analysis has swiftly evolved from being a task addressed mainly within the remit of multivariate statistics, to an endevour in which data heterogeneity, complexity and even sheer size, driven by computational advances, call for alternative strategies, such as those provided by pattern recognition and machine learning. Any data analysis process aims to extract new knowledge from data. Knowledge extraction is not a trivial task and it is not limited to the generation of data models or the recognition of patterns. The use of machine learning techniques for multivariate data analysis should in fact aim to achieve a dual target: interpretability and good performance. At best, both aspects of this target should not conflict with each other. This gap between data modelling and knowledge extraction must be acknowledged, in the sense that we can only extract knowledge from models through a process of interpretation. Exploratory information visualization is becoming a very promising tool for interpretation. When exploring multivariate data through visualization, high data dimensionality can be a big constraint, and the use of dimensionality reduction techniques is often compulsory. The need to find flexible methods for data modelling has led to the development of non-linear dimensionality reduction techniques, and many state-of-the-art approaches of this type fall in the domain of probabilistic modelling. These non-linear techniques can provide a flexible data representation and a more faithful model of the observed data compared to the linear ones, but often at the expense of model interpretability, which has an impact in the model visualization results. In manifold learning non-linear dimensionality reduction methods, when a high-dimensional space is mapped onto a lower-dimensional one, the obtained embedded manifold is subject to local geometrical distortion induced by the non-linear mapping. This kind of distortion can often lead to misinterpretations of the data set structure and of the obtained patterns. It is important to give relevance to the problem of how to quantify and visualize the distortion itself in order to interpret data in a more faithful way. The research reported in this thesis focuses on the development of methods and techniques for explicitly reintroducing the local distortion created by non-linear dimensionality reduction models into the low-dimensional visualization of the data that they produce, as well as in the definition of metrics for probabilistic geometries to address this problem. We do not only provide methods only for static data, but also for multivariate time series. The reintegration of the quantified non-linear distortion into the visualization space of the analysed non-linear dimensionality reduction methods is a goal by itself, but we go beyond it and consider alternative adequate metrics for probabilistic manifold learning. For that, we study the role of \textit{Random geometries}, that is, distributions of manifolds, in machine learning and data analysis in general. Methods for the estimation of distributions of data-supporting Riemannian manifolds as well as algorithms for computing interpolants over distributions of manifolds are defined. Experimental results show that inference made according to the random Riemannian metric leads to a more faithful generation of unobserved data.Durant les últimes dècades, l’anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l’àmbit de l’estadística multivariant, a un endevour en el qual l’heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l’Aprenentatge Automàtic. Qualsevol procés d’anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L’extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L’ús de tècniques d’aprenentatge automàtic per a l’anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d’aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d’aquest objectiu no han d’entrar en conflicte entre sí. S’ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l’extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d’un procés d’interpretació. L’exploració de la visualització d’informació s’està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s’exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l’ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L’estat de l’art d’aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d’aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d’alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l’estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sí, amb la finalitat d’interpretar les dades d’una manera més fidel. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l’espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l’espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l’aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l’estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidelDurant les últimes dècades, l'anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l'àmbit de l'estadística multivariant, a un endevour en el qual l'heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l'Aprenentatge Automàtic. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l'espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l'espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l'aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l'estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidel. Qualsevol procés d'anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L'extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L'ús de tècniques d'aprenentatge automàtic per a l'anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d'aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d'aquest objectiu no han d'entrar en conflicte entre sí. S'ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l'extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d'un procés d'interpretació. L'exploració de la visualització d'informació s'està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s'exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l'ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L'estat de l'art d'aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d'aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d'alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l'estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sì, amb la finalitat d'interpretar les dades d'una manera més fidel

Exploration of customer churn routes using machine learning probabilistic models

The ongoing processes of globalization and deregulation are changing the competitive framework in the majority of economic sectors. The appearance of new competitors and technologies entails a sharp increase in competition and a growing preoccupation among service providing companies with creating stronger bonds with customers. Many of these companies are shifting resources away from the goal of capturing new customers and are instead focusing on retaining existing ones. In this context, anticipating the customer¿s intention to abandon, a phenomenon also known as churn, and facilitating the launch of retention-focused actions represent clear elements of competitive advantage. Data mining, as applied to market surveyed information, can provide assistance to churn management processes. In this thesis, we mine real market data for churn analysis, placing a strong emphasis on the applicability and interpretability of the results. Statistical Machine Learning models for simultaneous data clustering and visualization lay the foundations for the analyses, which yield an interpretable segmentation of the surveyed markets. To achieve interpretability, much attention is paid to the intuitive visualization of the experimental results. Given that the modelling techniques under consideration are nonlinear in nature, this represents a non-trivial challenge. Newly developed techniques for data visualization in nonlinear latent models are presented. They are inspired in geographical representation methods and suited to both static and dynamic data representation

Cartogram representations of self-organizing virtual geographies

Model interpretability is a problem for multivariate data in general and, very specifically, for dimensionality reduction techniques as applied to data visualization. The problem is even bigger for nonlinear dimensionality reduction (NLDR) methods, to which interpretability limitations are consubstantial. Data visualization is a key process for knowledge extraction from data that helps us to gain insights into the observed data structure through graphical representations and metaphors. NLDR techniques provide flexible visual insight, but the locally varying representation distor- tion they generate makes interpretation far from intuitive. For some NLDR models, indirect quantitative measures of this mapping distortion can be calculated explicitly and used as part of an interpretative post-processing of the results. In this Master Thesis, we apply a cartogram method, inspired on techniques of geographic representation, to the purpose of data visualization using NLDR models. In particular, we show how this method allows reintroducing the distortion, measured in the visual maps of several self-organizing clustering methods. The main capabilities and limitations of the cartogram visualization of multivariate data using standard and hierarchical self-organizing models were investigated in some detail with artificial data as well as with real information stemming from a neuro-oncology problem that involves the discrimination of human brain tumor types, a problem for which knowledge dis- covery techniques in general, and data visualization in particular should be useful tools

Influencing factors in energy use of housing blocks: a new methodology, based on clustering and energy simulations, for decision making in energy refurbishment projects

In recent years, big efforts have been dedicated to identify which are the factors with highest influence in the energy consumption of residential buildings. These factors include aspects such as weather dependence, user behaviour, socio-economic situation, type of the energy installations and typology of buildings. The high number of factors increases the complexity of analysis and leads to a lack of confidence in the results of the energy simulation analysis. This fact grows when we move one step up and perform global analysis of blocks of buildings. The aim of this study is to report a new methodology for the assessment of the energy performance of large groups of buildings when considering the real use of energy. We combine two clustering methods, Generative Topographic Mapping and k-means, to obtain reference dwellings that can be considered as representative of the different energy patterns and energy systems of the neighbourhood. Then, simulation of energy demand and indoor temperature against the monitored comfort conditions in a short period is performed to obtain end use load disaggregation. This methodology was applied in a district at Terrassa City (Spain), and six reference dwellings were selected. Results showed that the method was able to identify the main patterns and provide occupants with feasible recommendations so that they can make required decisions at neighbourhood level. Moreover, given that the proposed method is based on the comparison with similar buildings, it could motivate building occupants to implement community improvement actions, as well as to modify their behaviour.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Influencing factors in energy use of housing blocks: a new methodology, based on clustering and energy simulations, for decision making in energy refurbishment projects

In recent years, big efforts have been dedicated to identify which are the factors with highest influence in the energy consumption of residential buildings. These factors include aspects such as weather dependence, user behaviour, socio-economic situation, type of the energy installations and typology of buildings. The high number of factors increases the complexity of analysis and leads to a lack of confidence in the results of the energy simulation analysis. This fact grows when we move one step up and perform global analysis of blocks of buildings. The aim of this study is to report a new methodology for the assessment of the energy performance of large groups of buildings when considering the real use of energy. We combine two clustering methods, Generative Topographic Mapping and k-means, to obtain reference dwellings that can be considered as representative of the different energy patterns and energy systems of the neighbourhood. Then, simulation of energy demand and indoor temperature against the monitored comfort conditions in a short period is performed to obtain end use load disaggregation. This methodology was applied in a district at Terrassa City (Spain), and six reference dwellings were selected. Results showed that the method was able to identify the main patterns and provide occupants with feasible recommendations so that they can make required decisions at neighbourhood level. Moreover, given that the proposed method is based on the comparison with similar buildings, it could motivate building occupants to implement community improvement actions, as well as to modify their behaviour

LIPIcs, Volume 277, GIScience 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 277, GIScience 2023, Complete Volum

Large bichromatic point sets admit empty monochromatic 4-gons

We consider a variation of a problem stated by Erd˝os and Szekeres in 1935 about the existence of a number fES(k) such that any set S of at least fES(k) points in general position in the plane has a subset of k points that are the vertices of a convex k-gon. In our setting the points of S are colored, and we say that a (not necessarily convex) spanned polygon is monochromatic if all its vertices have the same color. Moreover, a polygon is called empty if it does not contain any points of S in its interior. We show that any bichromatic set of n ≥ 5044 points in R2 in general position determines at least one empty, monochromatic quadrilateral (and thus linearly many).Postprint (published version

12th International Conference on Geographic Information Science: GIScience 2023, September 12–15, 2023, Leeds, UK

No abstract available