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