Building more accurate decision trees with the additive tree.

The expansion of machine learning to high-stakes application domains such as medicine, finance, and criminal justice, where making informed decisions requires clear understanding of the model, has increased the interest in interpretable machine learning. The widely used Classification and Regression Trees (CART) have played a major role in health sciences, due to their simple and intuitive explanation of predictions. Ensemble methods like gradient boosting can improve the accuracy of decision trees, but at the expense of the interpretability of the generated model. Additive models, such as those produced by gradient boosting, and full interaction models, such as CART, have been investigated largely in isolation. We show that these models exist along a spectrum, revealing previously unseen connections between these approaches. This paper introduces a rigorous formalization for the additive tree, an empirically validated learning technique for creating a single decision tree, and shows that this method can produce models equivalent to CART or gradient boosted stumps at the extremes by varying a single parameter. Although the additive tree is designed primarily to provide both the model interpretability and predictive performance needed for high-stakes applications like medicine, it also can produce decision trees represented by hybrid models between CART and boosted stumps that can outperform either of these approaches

Input significance analysis: feature selection through synaptic weights manipulation for EFuNNs classifier

This work is interested in ISA methods that can manipulate synaptic weights namelyConnection Weights (CW) and Garson’s Algorithm (GA) and the classifier selected isEvolving Fuzzy Neural Networks (EFuNNs). Firstly, it test FS method on a dataset selectedfrom the UCI Machine Learning Repository and executed in an online environment, recordthe results and compared with the results that used original and ranked data from the previouswork. This is to identify whether FS can contribute to improved results and which of the ISAmethods mentioned above that work well with FS, i.e. give the best results. Secondly, to attestthe FS results by using a differently selected dataset taken from the same source and in thesame environment. The results are promising when FS is applied, some efficiency andaccuracy are noticeable compared to the original and ranked data.Keywords: feature selection; feature ranking; input significance analysis; evolvingconnectionist systems; evolving fuzzy neural network; connection weights; Garson’salgorithm

Born-Again Tree Ensembles

The use of machine learning algorithms in finance, medicine, and criminal justice can deeply impact human lives. As a consequence, research into interpretable machine learning has rapidly grown in an attempt to better control and fix possible sources of mistakes and biases. Tree ensembles offer a good prediction quality in various domains, but the concurrent use of multiple trees reduces the interpretability of the ensemble. Against this background, we study born-again tree ensembles, i.e., the process of constructing a single decision tree of minimum size that reproduces the exact same behavior as a given tree ensemble in its entire feature space. To find such a tree, we develop a dynamic-programming based algorithm that exploits sophisticated pruning and bounding rules to reduce the number of recursive calls. This algorithm generates optimal born-again trees for many datasets of practical interest, leading to classifiers which are typically simpler and more interpretable without any other form of compromise.Comment: "Born-Again Tree Ensembles", proceedings of ICML 2020. The associated source code is available at: https://github.com/vidalt/BA-Tree

Time Series Mining: Shapelet Discovery, Ensembling, and Applications

Time series is a prominent class of temporal data sequences that has the properties of being equally spaced in time, chronologically ordered, and highly dimensional. Time series classification is an important branch of time series mining. Existing time series classifiers operate either on row data in the time domain or into an alternate data space in the shapelets or frequency domains. Combining time series classifiers, is another powerful technique used to improve the classification accuracy. It was demonstrated that different classifiers can be expert in predicting different subset of classes over others. The challenge lies in learning the expertise of different base learners. In addition, the high dimensionality characteristic of time series data makes it difficult to visualize their distribution. In this thesis we developed a new time series ensembling methods in order to improve the predictive performance, investigated the interpretability of classifiers by leveraging the power of deep learning models and adjusting them to provide visual shapelets as a by-product of the classification task. Finally, we show application through problems of solar energetic particle events prediction

One-Class Classification: Taxonomy of Study and Review of Techniques

One-class classification (OCC) algorithms aim to build classification models when the negative class is either absent, poorly sampled or not well defined. This unique situation constrains the learning of efficient classifiers by defining class boundary just with the knowledge of positive class. The OCC problem has been considered and applied under many research themes, such as outlier/novelty detection and concept learning. In this paper we present a unified view of the general problem of OCC by presenting a taxonomy of study for OCC problems, which is based on the availability of training data, algorithms used and the application domains applied. We further delve into each of the categories of the proposed taxonomy and present a comprehensive literature review of the OCC algorithms, techniques and methodologies with a focus on their significance, limitations and applications. We conclude our paper by discussing some open research problems in the field of OCC and present our vision for future research.Comment: 24 pages + 11 pages of references, 8 figure

BotChase: Graph-Based Bot Detection Using Machine Learning

Bot detection using machine learning (ML), with network flow-level features, has been extensively studied in the literature. However, existing flow-based approaches typically incur a high computational overhead and do not completely capture the network communication patterns, which can expose additional aspects of malicious hosts. Recently, bot detection systems which leverage communication graph analysis using ML have gained traction to overcome these limitations. A graph-based approach is rather intuitive, as graphs are true representations of network communications. In this thesis, we propose BotChase, a two-phased graph-based bot detection system that leverages both unsupervised and supervised ML. The first phase prunes presumable benign hosts, while the second phase achieves bot detection with high precision. Our prototype implementation of BotChase detects multiple types of bots and exhibits robustness to zero-day attacks. It also accommodates different network topologies and is suitable for large-scale data. Compared to the state-of-the-art, BotChase outperforms an end-to-end system that employs flow-based features and performs particularly well in an online setting

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial