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

Enhancing explainability and scrutability of recommender systems

Our increasing reliance on complex algorithms for recommendations calls for models and methods for explainable, scrutable, and trustworthy AI. While explainability is required for understanding the relationships between model inputs and outputs, a scrutable system allows us to modify its behavior as desired. These properties help bridge the gap between our expectations and the algorithm’s behavior and accordingly boost our trust in AI. Aiming to cope with information overload, recommender systems play a crucial role in filtering content (such as products, news, songs, and movies) and shaping a personalized experience for their users. Consequently, there has been a growing demand from the information consumers to receive proper explanations for their personalized recommendations. These explanations aim at helping users understand why certain items are recommended to them and how their previous inputs to the system relate to the generation of such recommendations. Besides, in the event of receiving undesirable content, explanations could possibly contain valuable information as to how the system’s behavior can be modified accordingly. In this thesis, we present our contributions towards explainability and scrutability of recommender systems: • We introduce a user-centric framework, FAIRY, for discovering and ranking post-hoc explanations for the social feeds generated by black-box platforms. These explanations reveal relationships between users’ profiles and their feed items and are extracted from the local interaction graphs of users. FAIRY employs a learning-to-rank (LTR) method to score candidate explanations based on their relevance and surprisal. • We propose a method, PRINCE, to facilitate provider-side explainability in graph-based recommender systems that use personalized PageRank at their core. PRINCE explanations are comprehensible for users, because they present subsets of the user’s prior actions responsible for the received recommendations. PRINCE operates in a counterfactual setup and builds on a polynomial-time algorithm for finding the smallest counterfactual explanations. • We propose a human-in-the-loop framework, ELIXIR, for enhancing scrutability and subsequently the recommendation models by leveraging user feedback on explanations. ELIXIR enables recommender systems to collect user feedback on pairs of recommendations and explanations. The feedback is incorporated into the model by imposing a soft constraint for learning user-specific item representations. We evaluate all proposed models and methods with real user studies and demonstrate their benefits at achieving explainability and scrutability in recommender systems.Unsere zunehmende Abhängigkeit von komplexen Algorithmen für maschinelle Empfehlungen erfordert Modelle und Methoden für erklärbare, nachvollziehbare und vertrauenswürdige KI. Zum Verstehen der Beziehungen zwischen Modellein- und ausgaben muss KI erklärbar sein. Möchten wir das Verhalten des Systems hingegen nach unseren Vorstellungen ändern, muss dessen Entscheidungsprozess nachvollziehbar sein. Erklärbarkeit und Nachvollziehbarkeit von KI helfen uns dabei, die Lücke zwischen dem von uns erwarteten und dem tatsächlichen Verhalten der Algorithmen zu schließen und unser Vertrauen in KI-Systeme entsprechend zu stärken. Um ein Übermaß an Informationen zu verhindern, spielen Empfehlungsdienste eine entscheidende Rolle um Inhalte (z.B. Produkten, Nachrichten, Musik und Filmen) zu filtern und deren Benutzern eine personalisierte Erfahrung zu bieten. Infolgedessen erheben immer mehr In- formationskonsumenten Anspruch auf angemessene Erklärungen für deren personalisierte Empfehlungen. Diese Erklärungen sollen den Benutzern helfen zu verstehen, warum ihnen bestimmte Dinge empfohlen wurden und wie sich ihre früheren Eingaben in das System auf die Generierung solcher Empfehlungen auswirken. Außerdem können Erklärungen für den Fall, dass unerwünschte Inhalte empfohlen werden, wertvolle Informationen darüber enthalten, wie das Verhalten des Systems entsprechend geändert werden kann. In dieser Dissertation stellen wir unsere Beiträge zu Erklärbarkeit und Nachvollziehbarkeit von Empfehlungsdiensten vor. • Mit FAIRY stellen wir ein benutzerzentriertes Framework vor, mit dem post-hoc Erklärungen für die von Black-Box-Plattformen generierten sozialen Feeds entdeckt und bewertet werden können. Diese Erklärungen zeigen Beziehungen zwischen Benutzerprofilen und deren Feeds auf und werden aus den lokalen Interaktionsgraphen der Benutzer extrahiert. FAIRY verwendet eine LTR-Methode (Learning-to-Rank), um die Erklärungen anhand ihrer Relevanz und ihres Grads unerwarteter Empfehlungen zu bewerten. • Mit der PRINCE-Methode erleichtern wir das anbieterseitige Generieren von Erklärungen für PageRank-basierte Empfehlungsdienste. PRINCE-Erklärungen sind für Benutzer verständlich, da sie Teilmengen früherer Nutzerinteraktionen darstellen, die für die erhaltenen Empfehlungen verantwortlich sind. PRINCE-Erklärungen sind somit kausaler Natur und werden von einem Algorithmus mit polynomieller Laufzeit erzeugt , um präzise Erklärungen zu finden. • Wir präsentieren ein Human-in-the-Loop-Framework, ELIXIR, um die Nachvollziehbarkeit der Empfehlungsmodelle und die Qualität der Empfehlungen zu verbessern. Mit ELIXIR können Empfehlungsdienste Benutzerfeedback zu Empfehlungen und Erklärungen sammeln. Das Feedback wird in das Modell einbezogen, indem benutzerspezifischer Einbettungen von Objekten gelernt werden. Wir evaluieren alle Modelle und Methoden in Benutzerstudien und demonstrieren ihren Nutzen hinsichtlich Erklärbarkeit und Nachvollziehbarkeit von Empfehlungsdiensten

Entity-centric knowledge discovery for idiosyncratic domains

Technical and scientific knowledge is produced at an ever-accelerating pace, leading to increasing issues when trying to automatically organize or process it, e.g., when searching for relevant prior work. Knowledge can today be produced both in unstructured (plain text) and structured (metadata or linked data) forms. However, unstructured content is still themost dominant formused to represent scientific knowledge. In order to facilitate the extraction and discovery of relevant content, new automated and scalable methods for processing, structuring and organizing scientific knowledge are called for. In this context, a number of applications are emerging, ranging fromNamed Entity Recognition (NER) and Entity Linking tools for scientific papers to specific platforms leveraging information extraction techniques to organize scientific knowledge. In this thesis, we tackle the tasks of Entity Recognition, Disambiguation and Linking in idiosyncratic domains with an emphasis on scientific literature. Furthermore, we study the related task of co-reference resolution with a specific focus on named entities. We start by exploring Named Entity Recognition, a task that aims to identify the boundaries of named entities in textual contents. We propose a newmethod to generate candidate named entities based on n-gram collocation statistics and design several entity recognition features to further classify them. In addition, we show how the use of external knowledge bases (either domain-specific like DBLP or generic like DBPedia) can be leveraged to improve the effectiveness of NER for idiosyncratic domains. Subsequently, we move to Entity Disambiguation, which is typically performed after entity recognition in order to link an entity to a knowledge base. We propose novel semi-supervised methods for word disambiguation leveraging the structure of a community-based ontology of scientific concepts. Our approach exploits the graph structure that connects different terms and their definitions to automatically identify the correct sense that was originally picked by the authors of a scientific publication. We then turn to co-reference resolution, a task aiming at identifying entities that appear using various forms throughout the text. We propose an approach to type entities leveraging an inverted index built on top of a knowledge base, and to subsequently re-assign entities based on the semantic relatedness of the introduced types. Finally, we describe an application which goal is to help researchers discover and manage scientific publications. We focus on the problem of selecting relevant tags to organize collections of research papers in that context. We experimentally demonstrate that the use of a community-authored ontology together with information about the position of the concepts in the documents allows to significantly increase the precision of tag selection over standard methods

Politische Maschinen: Maschinelles Lernen für das Verständnis von sozialen Maschinen

This thesis investigates human-algorithm interactions in sociotechnological ecosystems. Specifically, it applies machine learning and statistical methods to uncover political dimensions of algorithmic influence in social media platforms and automated decision making systems. Based on the results, the study discusses the legal, political and ethical consequences of algorithmic implementations.Diese Arbeit untersucht Mensch-Algorithmen-Interaktionen in sozio-technologischen Ökosystemen. Sie wendet maschinelles Lernen und statistische Methoden an, um politische Dimensionen des algorithmischen Einflusses auf Socialen Medien und automatisierten Entscheidungssystemen aufzudecken. Aufgrund der Ergebnisse diskutiert die Studie die rechtlichen, politischen und ethischen Konsequenzen von algorithmischen Anwendungen

Human-Understandable Explanations of Neural Networks

Das 21. Jahrhundert ist durch Datenströme enormen Ausmaßes gekennzeichnet. Dies hat die Popularität von Berechnungsmodellen, die sehr datenintensiv sind, wie z.B. neuronale Netze, drastisch erhöht. Aufgrund ihres großen Erfolges bei der Mustererkennung sind sie zu einem leistungsstarken Werkzeug für Vorhersagen, Klassifizierung und Empfehlungen in der Informatik, Statistik, Wirtschaft und vielen anderen Disziplinen geworden. Trotz dieser verbreiteten Anwendung sind neuronale Netze Blackbox-Modelle, d.h. sie geben keine leicht interpretierbaren Einblicke in die Struktur der approximierten Funktion oder in die Art und Weise, wie die Eingabe in die entsprechende Ausgabe umgewandelt wird. Die jüngste Forschung versucht, diese Blackboxen zu öffnen und ihr Innenleben zu enthüllen. Bisher haben sich die meisten Forschungsarbeiten darauf konzentriert, die Entscheidungen eines neuronalen Netzes auf einer sehr technischen Ebene und für ein Informatikfachpublikum zu erklären. Da neuronale Netze immer häufiger eingesetzt werden, auch von Menschen ohne tiefere Informatikkenntnisse, ist es von entscheidender Bedeutung, Ansätze zu entwickeln, die es ermöglichen, neuronale Netze auch für Nicht-Experten verständlich zu erklären. Das Ziel ist, dass Menschen verstehen können, warum das neuronale Netz bestimmte Entscheidungen getroffen hat, und dass sie das Ergebnis des Modells durchgehend interpretieren können. Diese Arbeit beschreibt ein Rahmenwerk, das es ermöglicht, menschlich verständliche Erklärungen für neuronale Netze zu liefern. Wir charakterisieren menschlich nachvollziehbare Erklärungen durch sieben Eigenschaften, nämlich Transparenz, Überprüfbarkeit, Vertrauen, Effektivität, Überzeugungskraft, Effizienz und Zufriedenheit. In dieser Arbeit stellen wir Erklärungsansätze vor, die diese Eigenschaften erfüllen. Zunächst stellen wir TransPer vor, ein Erklärungsrahmenwerk für neuronale Netze, insbesondere für solche, die in Produktempfehlungssystemen verwendet werden. Wir definieren Erklärungsmaße auf der Grundlage der Relevanz der Eingaben, um die Vorhersagequalität des neuronalen Netzes zu analysieren und KI-Anwendern bei der Verbesserung ihrer neuronalen Netze zu helfen. Dadurch werden Transparenz und Vertrauen geschaffen. In einem Anwendungsfall für ein Empfehlungssystem werden auch die Überzeugungskraft, die den Benutzer zum Kauf eines Produkts veranlasst, und die Zufriedenheit, die das Benutzererlebnis angenehmer macht, berücksichtigt. Zweitens, um die Blackbox des neuronalen Netzes zu öffnen, definieren wir eine neue Metrik für die Erklärungsqualität ObAlEx in der Bildklassifikation. Mit Hilfe von Objekterkennungsansätzen, Erklärungsansätzen und ObAlEx quantifizieren wir den Fokus von faltenden neuronalen Netzwerken auf die tatsächliche Evidenz. Dies bietet den Nutzern eine effektive Erklärung und Vertrauen, dass das Modell seine Klassifizierungsentscheidung tatsächlich auf der Grundlage des richtigen Teils des Eingabebildes getroffen hat. Darüber hinaus ermöglicht es die Überprüfbarkeit, d. h. die Möglichkeit für den Benutzer, dem Erklärungssystem mitzuteilen, dass sich das Modell auf die falschen Teile des Eingabebildes konzentriert hat. Drittens schlagen wir FilTag vor, einen Ansatz zur Erklärung von faltenden neuronalen Netzwerken durch die Kennzeichnung der Filter mit Schlüsselwörtern, die Bildklassen identifizieren. In ihrer Gesamtheit erklären diese Kennzeichnungen die Zweckbestimmung des Filters. Einzelne Bildklassifizierungen können dann intuitiv anhand der Kennzeichnungen der Filter, die das Eingabebild aktiviert, erklärt werden. Diese Erklärungen erhöhen die Überprüfbarkeit und das Vertrauen. Schließlich stellen wir FAIRnets vor, das darauf abzielt, Metadaten von neuronalen Netzen wie Architekturinformationen und Verwendungszweck bereitzustellen. Indem erklärt wird, wie das neuronale Netz aufgebaut ist werden neuronale Netzer transparenter; dadurch dass ein Nutzer schnell entscheiden kann, ob das neuronale Netz für den gewünschten Anwendungsfall relevant ist werden neuronale Netze effizienter. Alle vier Ansätze befassen sich mit der Frage, wie man Erklärungen von neuronalen Netzen für Nicht-Experten bereitstellen kann. Zusammen stellen sie einen wichtigen Schritt in Richtung einer für den Menschen verständlichen KI dar

Exploratory Browsing

In recent years the digital media has influenced many areas of our life. The transition from analogue to digital has substantially changed our ways of dealing with media collections. Today‟s interfaces for managing digital media mainly offer fixed linear models corresponding to the underlying technical concepts (folders, events, albums, etc.), or the metaphors borrowed from the analogue counterparts (e.g., stacks, film rolls). However, people‟s mental interpretations of their media collections often go beyond the scope of linear scan. Besides explicit search with specific goals, current interfaces can not sufficiently support the explorative and often non-linear behavior. This dissertation presents an exploration of interface design to enhance the browsing experience with media collections. The main outcome of this thesis is a new model of Exploratory Browsing to guide the design of interfaces to support the full range of browsing activities, especially the Exploratory Browsing. We define Exploratory Browsing as the behavior when the user is uncertain about her or his targets and needs to discover areas of interest (exploratory), in which she or he can explore in detail and possibly find some acceptable items (browsing). According to the browsing objectives, we group browsing activities into three categories: Search Browsing, General Purpose Browsing and Serendipitous Browsing. In the context of this thesis, Exploratory Browsing refers to the latter two browsing activities, which goes beyond explicit search with specific objectives. We systematically explore the design space of interfaces to support the Exploratory Browsing experience. Applying the methodology of User-Centered Design, we develop eight prototypes, covering two main usage contexts of browsing with personal collections and in online communities. The main studied media types are photographs and music. The main contribution of this thesis lies in deepening the understanding of how people‟s exploratory behavior has an impact on the interface design. This thesis contributes to the field of interface design for media collections in several aspects. With the goal to inform the interface design to support the Exploratory Browsing experience with media collections, we present a model of Exploratory Browsing, covering the full range of exploratory activities around media collections. We investigate this model in different usage contexts and develop eight prototypes. The substantial implications gathered during the development and evaluation of these prototypes inform the further refinement of our model: We uncover the underlying transitional relations between browsing activities and discover several stimulators to encourage a fluid and effective activity transition. Based on this model, we propose a catalogue of general interface characteristics, and employ this catalogue as criteria to analyze the effectiveness of our prototypes. We also present several general suggestions for designing interfaces for media collections

Vermeidung von Repräsentationsheterogenitäten in realweltlichen Wissensgraphen

Knowledge graphs are repositories providing factual knowledge about entities. They are a great source of knowledge to support modern AI applications for Web search, question answering, digital assistants, and online shopping. The advantages of machine learning techniques and the Web's growth have led to colossal knowledge graphs with billions of facts about hundreds of millions of entities collected from a large variety of sources. While integrating independent knowledge sources promises rich information, it inherently leads to heterogeneities in representation due to a large variety of different conceptualizations. Thus, real-world knowledge graphs are threatened in their overall utility. Due to their sheer size, they are hardly manually curatable anymore. Automatic and semi-automatic methods are needed to cope with these vast knowledge repositories. We first address the general topic of representation heterogeneity by surveying the problem throughout various data-intensive fields: databases, ontologies, and knowledge graphs. Different techniques for automatically resolving heterogeneity issues are presented and discussed, while several open problems are identified. Next, we focus on entity heterogeneity. We show that automatic matching techniques may run into quality problems when working in a multi-knowledge graph scenario due to incorrect transitive identity links. We present four techniques that can be used to improve the quality of arbitrary entity matching tools significantly. Concerning relation heterogeneity, we show that synonymous relations in knowledge graphs pose several difficulties in querying. Therefore, we resolve these heterogeneities with knowledge graph embeddings and by Horn rule mining. All methods detect synonymous relations in knowledge graphs with high quality. Furthermore, we present a novel technique for avoiding heterogeneity issues at query time using implicit knowledge storage. We show that large neural language models are a valuable source of knowledge that is queried similarly to knowledge graphs already solving several heterogeneity issues internally.Wissensgraphen sind eine wichtige Datenquelle von Entitätswissen. Sie unterstützen viele moderne KI-Anwendungen. Dazu gehören unter anderem Websuche, die automatische Beantwortung von Fragen, digitale Assistenten und Online-Shopping. Neue Errungenschaften im maschinellen Lernen und das außerordentliche Wachstum des Internets haben zu riesigen Wissensgraphen geführt. Diese umfassen häufig Milliarden von Fakten über Hunderte von Millionen von Entitäten; häufig aus vielen verschiedenen Quellen. Während die Integration unabhängiger Wissensquellen zu einer großen Informationsvielfalt führen kann, führt sie inhärent zu Heterogenitäten in der Wissensrepräsentation. Diese Heterogenität in den Daten gefährdet den praktischen Nutzen der Wissensgraphen. Durch ihre Größe lassen sich die Wissensgraphen allerdings nicht mehr manuell bereinigen. Dafür werden heutzutage häufig automatische und halbautomatische Methoden benötigt. In dieser Arbeit befassen wir uns mit dem Thema Repräsentationsheterogenität. Wir klassifizieren Heterogenität entlang verschiedener Dimensionen und erläutern Heterogenitätsprobleme in Datenbanken, Ontologien und Wissensgraphen. Weiterhin geben wir einen knappen Überblick über verschiedene Techniken zur automatischen Lösung von Heterogenitätsproblemen. Im nächsten Kapitel beschäftigen wir uns mit Entitätsheterogenität. Wir zeigen Probleme auf, die in einem Multi-Wissensgraphen-Szenario aufgrund von fehlerhaften transitiven Links entstehen. Um diese Probleme zu lösen stellen wir vier Techniken vor, mit denen sich die Qualität beliebiger Entity-Alignment-Tools deutlich verbessern lässt. Wir zeigen, dass Relationsheterogenität in Wissensgraphen zu Problemen bei der Anfragenbeantwortung führen kann. Daher entwickeln wir verschiedene Methoden um synonyme Relationen zu finden. Eine der Methoden arbeitet mit hochdimensionalen Wissensgrapheinbettungen, die andere mit einem Rule Mining Ansatz. Beide Methoden können synonyme Relationen in Wissensgraphen mit hoher Qualität erkennen. Darüber hinaus stellen wir eine neuartige Technik zur Vermeidung von Heterogenitätsproblemen vor, bei der wir eine implizite Wissensrepräsentation verwenden. Wir zeigen, dass große neuronale Sprachmodelle eine wertvolle Wissensquelle sind, die ähnlich wie Wissensgraphen angefragt werden können. Im Sprachmodell selbst werden bereits viele der Heterogenitätsprobleme aufgelöst, so dass eine Anfrage heterogener Wissensgraphen möglich wird

Knowledge extraction from unstructured data

Data availability is becoming more essential, considering the current growth of web-based data. The data available on the web are represented as unstructured, semi-structured, or structured data. In order to make the web-based data available for several Natural Language Processing or Data Mining tasks, the data needs to be presented as machine-readable data in a structured format. Thus, techniques for addressing the problem of capturing knowledge from unstructured data sources are needed. Knowledge extraction methods are used by the research communities to address this problem; methods that are able to capture knowledge in a natural language text and map the extracted knowledge to existing knowledge presented in knowledge graphs (KGs). These knowledge extraction methods include Named-entity recognition, Named-entity Disambiguation, Relation Recognition, and Relation Linking. This thesis addresses the problem of extracting knowledge over unstructured data and discovering patterns in the extracted knowledge. We devise a rule-based approach for entity and relation recognition and linking. The defined approach effectively maps entities and relations within a text to their resources in a target KG. Additionally, it overcomes the challenges of recognizing and linking entities and relations to a specific KG by employing devised catalogs of linguistic and domain-specific rules that state the criteria to recognize entities in a sentence of a particular language, and a deductive database that encodes knowledge in community-maintained KGs. Moreover, we define a Neuro-symbolic approach for the tasks of knowledge extraction in encyclopedic and domain-specific domains; it combines symbolic and sub-symbolic components to overcome the challenges of entity recognition and linking and the limitation of the availability of training data while maintaining the accuracy of recognizing and linking entities. Additionally, we present a context-aware framework for unveiling semantically related posts in a corpus; it is a knowledge-driven framework that retrieves associated posts effectively. We cast the problem of unveiling semantically related posts in a corpus into the Vertex Coloring Problem. We evaluate the performance of our techniques on several benchmarks related to various domains for knowledge extraction tasks. Furthermore, we apply these methods in real-world scenarios from national and international projects. The outcomes show that our techniques are able to effectively extract knowledge encoded in unstructured data and discover patterns over the extracted knowledge presented as machine-readable data. More importantly, the evaluation results provide evidence to the effectiveness of combining the reasoning capacity of the symbolic frameworks with the power of pattern recognition and classification of sub-symbolic models