Rule Induction through Integrated Symbolic and Subsymbolic Processing

We describe a neural network, called RuleNet, that learns explicit, symbolic condition-action rules in a formal string manipulation domain. RuleNet discovers functional categories over elements of the domain, and, at various points during learning, extracts rules that operate on these categories. The rules are then injected back into RuleNet and training continues, in a process called iterative projection. By incorporating rules in this way, RuleNet exhibits enhanced learning and generalization performance over alternative neural net approaches. By integrating symbolic rule learning and subsymbolic category learning, RuleNet has capabilities that go beyond a purely symbolic system. We show how this architecture can be applied to the problem of case-role assignment in natural language processing, yielding a novel rule-based solution. 1 INTRODUCTION We believe that neural networks are capable of more than pattern recognition; they can also perform higher cognitive tasks which are funda..

Explainable methods for knowledge graph refinement and exploration via symbolic reasoning

Knowledge Graphs (KGs) have applications in many domains such as Finance, Manufacturing, and Healthcare. While recent efforts have created large KGs, their content is far from complete and sometimes includes invalid statements. Therefore, it is crucial to refine the constructed KGs to enhance their coverage and accuracy via KG completion and KG validation. It is also vital to provide human-comprehensible explanations for such refinements, so that humans have trust in the KG quality. Enabling KG exploration, by search and browsing, is also essential for users to understand the KG value and limitations towards down-stream applications. However, the large size of KGs makes KG exploration very challenging. While the type taxonomy of KGs is a useful asset along these lines, it remains insufficient for deep exploration. In this dissertation we tackle the aforementioned challenges of KG refinement and KG exploration by combining logical reasoning over the KG with other techniques such as KG embedding models and text mining. Through such combination, we introduce methods that provide human-understandable output. Concretely, we introduce methods to tackle KG incompleteness by learning exception-aware rules over the existing KG. Learned rules are then used in inferring missing links in the KG accurately. Furthermore, we propose a framework for constructing human-comprehensible explanations for candidate facts from both KG and text. Extracted explanations are used to insure the validity of KG facts. Finally, to facilitate KG exploration, we introduce a method that combines KG embeddings with rule mining to compute informative entity clusters with explanations.Wissensgraphen haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise im Finanz- und Gesundheitswesen. Wissensgraphen sind jedoch unvollständig und enthalten auch ungültige Daten. Hohe Abdeckung und Korrektheit erfordern neue Methoden zur Wissensgraph-Erweiterung und Wissensgraph-Validierung. Beide Aufgaben zusammen werden als Wissensgraph-Verfeinerung bezeichnet. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erklärbarkeit und Verständlichkeit von Wissensgraphinhalten für Nutzer. In Anwendungen ist darüber hinaus die nutzerseitige Exploration von Wissensgraphen von besonderer Bedeutung. Suchen und Navigieren im Graph hilft dem Anwender, die Wissensinhalte und ihre Limitationen besser zu verstehen. Aufgrund der riesigen Menge an vorhandenen Entitäten und Fakten ist die Wissensgraphen-Exploration eine Herausforderung. Taxonomische Typsystem helfen dabei, sind jedoch für tiefergehende Exploration nicht ausreichend. Diese Dissertation adressiert die Herausforderungen der Wissensgraph-Verfeinerung und der Wissensgraph-Exploration durch algorithmische Inferenz über dem Wissensgraph. Sie erweitert logisches Schlussfolgern und kombiniert es mit anderen Methoden, insbesondere mit neuronalen Wissensgraph-Einbettungen und mit Text-Mining. Diese neuen Methoden liefern Ausgaben mit Erklärungen für Nutzer. Die Dissertation umfasst folgende Beiträge: Insbesondere leistet die Dissertation folgende Beiträge: • Zur Wissensgraph-Erweiterung präsentieren wir ExRuL, eine Methode zur Revision von Horn-Regeln durch Hinzufügen von Ausnahmebedingungen zum Rumpf der Regeln. Die erweiterten Regeln können neue Fakten inferieren und somit Lücken im Wissensgraphen schließen. Experimente mit großen Wissensgraphen zeigen, dass diese Methode Fehler in abgeleiteten Fakten erheblich reduziert und nutzerfreundliche Erklärungen liefert. • Mit RuLES stellen wir eine Methode zum Lernen von Regeln vor, die auf probabilistischen Repräsentationen für fehlende Fakten basiert. Das Verfahren erweitert iterativ die aus einem Wissensgraphen induzierten Regeln, indem es neuronale Wissensgraph-Einbettungen mit Informationen aus Textkorpora kombiniert. Bei der Regelgenerierung werden neue Metriken für die Regelqualität verwendet. Experimente zeigen, dass RuLES die Qualität der gelernten Regeln und ihrer Vorhersagen erheblich verbessert. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Validierung wird ExFaKT vorgestellt, ein Framework zur Konstruktion von Erklärungen für Faktkandidaten. Die Methode transformiert Kandidaten mit Hilfe von Regeln in eine Menge von Aussagen, die leichter zu finden und zu validieren oder widerlegen sind. Die Ausgabe von ExFaKT ist eine Menge semantischer Evidenzen für Faktkandidaten, die aus Textkorpora und dem Wissensgraph extrahiert werden. Experimente zeigen, dass die Transformationen die Ausbeute und Qualität der entdeckten Erklärungen deutlich verbessert. Die generierten unterstützen Erklärungen unterstütze sowohl die manuelle Wissensgraph- Validierung durch Kuratoren als auch die automatische Validierung. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Exploration wird ExCut vorgestellt, eine Methode zur Erzeugung von informativen Entitäts-Clustern mit Erklärungen unter Verwendung von Wissensgraph-Einbettungen und automatisch induzierten Regeln. Eine Cluster-Erklärung besteht aus einer Kombination von Relationen zwischen den Entitäten, die den Cluster identifizieren. ExCut verbessert gleichzeitig die Cluster- Qualität und die Cluster-Erklärbarkeit durch iteratives Verschränken des Lernens von Einbettungen und Regeln. Experimente zeigen, dass ExCut Cluster von hoher Qualität berechnet und dass die Cluster-Erklärungen für Nutzer informativ sind

Convex hulls in concept induction

Classification learning is dominated by systems which induce large numbers of small axis-orthogonal decision surfaces. This strongly biases such systems towards particular hypothesis types but there is reason believe that many domains have underlying concepts which do not involve axis orthogonal surfaces. Further, the multiplicity of small decision regions mitigates against any holistic appreciation of the theories produced by these systems, notwithstanding the fact that many of the small regions are individually comprehensible. This thesis investigates modeling concepts as large geometric structures in n-dimensional space. Convex hulls are a superset of the set of axis orthogonal hyperrectangles into which axis orthogonal systems partition the instance space. In consequence, there is reason to believe that convex hulls might provide a more flexible and general learning bias than axis orthogonal regions. The formation of convex hulls around a group of points of the same class is shown to be a usable generalisation and is more general than generalisations produced by axis-orthogonal based classifiers, without constructive induction, like decision trees, decision lists and rules. The use of a small number of large hulls as a concept representation is shown to provide classification performance which can be better than that of classifiers which use a large number of small fragmentary regions for each concept. A convex hull based classifier, CH1, has been implemented and tested. CH1 can handle categorical and continuous data. Algorithms for two basic generalisation operations on hulls, inflation and facet deletion, are presented. The two operations are shown to improve the accuracy of the classifier and provide moderate classification accuracy over a representative selection of typical, largely or wholly continuous valued machine learning tasks. The classifier exhibits superior performance to well-known axis-orthogonal-based classifiers when presented with domains where the underlying decision surfaces are not axis parallel. The strengths and weaknesses of the system are identified. One particular advantage is the ability of the system to model domains with approximately the same number of structures as there are underlying concepts. This leads to the possibility of extraction of higher level mathematical descriptions of the induced concepts, using the techniques of computational geometry, which is not possible from a multiplicity of small regions