On the interplay of machine learning and complex networks

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Mendonça, Matheus Ribeiro Furtado de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica
Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)
Brasil
LNCC
Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/332
Resumo: Network Science (NS) and Machine Learning (ML) are two knowledge areas that have experienced exponential growth in recent years, both in academia and in the industry. Both areas deal with broad problems that can be found in different domains, making them a valuable tool for solving such problems. A particular case is how these two research areas interact with each other and what benefits this interaction presents. This thesis thus investigates the interplay between these two areas, in particular, by exploring how NS can be used both as a tool for improving ML methods and also as an application of ML methods. Specifically, we deal with two problems: (i) how to improve Reinforcement Learning (RL) methods using NS; and (ii) how to tackle NS problems using Graph Embedding (GE) and RL. For the first part of our work, we build a new graph-based skill acquisition method, a sub-area of reinforcement learning focused on methods that identify sub-goals within RL problems, and create macro-actions capable of reaching such sub-goals. In this particular context, we propose the Abstract State Transition Graph (ASTG), a more compact representation of the State Transition Graph (STG) used in RL. We then adapt a well-established graph-based skill acquisition method to work with the ASTG instead of the STG. In the second part of our work, we tackle two known NS problems using GE and RL. We first propose the Network Centrality Approximation using Graph Embedding (NCA-GE), a method capable of efficiently approximating node centralities in graphs using GE and supervised learning. The NCA-GE is shown to be better than the state-of-the-art approach, while also being more generic and versatile. We then tackle a different NS problem: efficient information diffusion in Time-Varying Graphs (TVGs). For this task, we propose a method called Spatio-Temporal Influence Maximization (STIM) that uses RL and GE to learn the connectivity and temporal patterns of each node, allowing it to choose the most suitable node to diffuse an information at each time step in a TVG so that this information reaches a significant portion of the nodes within a limited timeframe. The proposed STIM method represents a substantially different approach from any other previous work in the literature, and it establishes a new framework for efficient information diffusion in TVGs that can be adapted for different scenarios.
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Specifically, we deal with two problems: (i) how to improve Reinforcement Learning (RL) methods using NS; and (ii) how to tackle NS problems using Graph Embedding (GE) and RL. For the first part of our work, we build a new graph-based skill acquisition method, a sub-area of reinforcement learning focused on methods that identify sub-goals within RL problems, and create macro-actions capable of reaching such sub-goals. In this particular context, we propose the Abstract State Transition Graph (ASTG), a more compact representation of the State Transition Graph (STG) used in RL. We then adapt a well-established graph-based skill acquisition method to work with the ASTG instead of the STG. In the second part of our work, we tackle two known NS problems using GE and RL. We first propose the Network Centrality Approximation using Graph Embedding (NCA-GE), a method capable of efficiently approximating node centralities in graphs using GE and supervised learning. The NCA-GE is shown to be better than the state-of-the-art approach, while also being more generic and versatile. We then tackle a different NS problem: efficient information diffusion in Time-Varying Graphs (TVGs). For this task, we propose a method called Spatio-Temporal Influence Maximization (STIM) that uses RL and GE to learn the connectivity and temporal patterns of each node, allowing it to choose the most suitable node to diffuse an information at each time step in a TVG so that this information reaches a significant portion of the nodes within a limited timeframe. The proposed STIM method represents a substantially different approach from any other previous work in the literature, and it establishes a new framework for efficient information diffusion in TVGs that can be adapted for different scenarios.Ciência de Redes (CR) e Aprendizado de Máquinas (AM) são duas áreas do conhecimento que passaram por um grande crescimento nos últimos anos, tanto na área acadêmica quando na indústria. Ambas as áreas lidam com problemas das mais diversas naturezas e domínios, o que torna estas ferramentas de grande valor para solucionar tais problemas. Um caso particular é como essas duas áreas do conhecimento interagem entre si e quais benefícios essa interação apresenta. O objetivo desta tese é investigar mais a fundo a interação entre essas duas áreas, e estuda-se como que CR pode ser usada tanto como uma ferramenta para melhorar métodos de AM quanto como uma área de aplicação desses métodos propriamente ditos. Especificamente, dois problemas são abordados: (i) como melhorar métodos de Aprendizado por Reforço (AR) usando CR; e (ii) como atacar problemas de CR usando Embedding de Grafos (EG) e AR. Na primeira parte deste trabalho, é construído um novo modelo de aprendizado de macro-ações usando grafos, uma sub-área de AR focada em métodos capazes de identificar sub-objetivos em problemas de AR e criar macro-ações capazes de alcançar tais sub-objetivos. Neste contexto, é proposto o Grafo de Transição de Estados Abstratos (GTEA), uma representação mais compacta do Grafo de Transição de Estados (GTE) usado em AR. Depois, é feita uma adaptação de um método bem estabelecido de aprendizado de macro-ações, de forma que este utilize o GTEA ao invés do GTE. Na segunda parte deste trabalho, dois problemas bem estabelecidos na área de CR são abordados. A primeira proposta é o método chamado Aproximação de Centralidade de Redes usando Embedding de Grafos (ACR-EG), capaz de aproximar centralidades de nós em grafos usando EG e aprendizado supervisionado. O ACR-EG mostra-se superior em relação ao método considerado estado da arte, além de ser mais genérico e versátil. Na sequência, é apresentado um novo framework para o problema de difusão de informação em Grafos Variantes no Tempo (GVT), chamado Maximização de Influência Espaço Temporal (MIET). Esta abordagem utiliza AR e EG para aprender os padrões temporais e de conectividade dos nós de uma rede. Isso permite que o MIET seja capaz de escolher qual nó deve difundir uma informação a cada instante de tempo em um GVT de forma que esta informação alcance uma proporção considerável de nós em uma janela limitada de tempo. O MIET representa uma abordagem significativamente diferente de qualquer outro trabalho existente na literatura e estabelece um novo framework para difusão eficiente de informação em GVTs, podendo ser adaptado para diversos cenários.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de JaneiroLaboratório Nacional de Computação CientíficaCoordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)BrasilLNCCPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalZiviani, ArturBarreto, André da Motta SallesZiviani, ArturPorto, Fábio André MachadoGranville, Lisandro ZambenedettiVellasco, Marley Maria Bernardes RebuzziSilva, Eduardo Bezerra daMendonça, Matheus Ribeiro Furtado de2023-03-23T14:28:36Z2020-12-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMENDONÇA, M. R. F. On the interplay of machine learning and complex networks. 2020. 113 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional) - Laboratório Nacional de Computação Científica, Petrópolis, 2020.https://tede.lncc.br/handle/tede/332enghttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCCinstname:Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)instacron:LNCC2023-03-24T04:43:26Zoai:tede-server.lncc.br:tede/332Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://tede.lncc.br/PUBhttps://tede.lncc.br/oai/requestlibrary@lncc.br||library@lncc.bropendoar:2023-03-24T04:43:26Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC - Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)false
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