Extracting useful knowledge from data sets is a key concept in modern information systems. Consequently, the need of efficient techniques to extract the desired knowledge has been growing over time. Machine learning is a research field dedicated to the development of techniques capable of enabling a machine to \"learn\" from data. Many techniques have been proposed so far, but there are still issues to be unveiled specially in interdisciplinary research. In this thesis, we explore the advantages of network data representation to develop machine learning techniques based on dynamical processes on networks. The network representation unifies the structure, dynamics and functions of the system it represents, and thus is capable of capturing the spatial, topological and functional relations of the data sets under analysis. We develop network-based techniques for the three machine learning paradigms: supervised, semi-supervised and unsupervised. The random walk dynamical process is used to characterize the access of unlabeled data to data classes, configuring a new heuristic we call ease of access in the supervised paradigm. We also propose a classification technique which combines the high-level view of the data, via network topological characterization, and the low-level relations, via similarity measures, in a general framework. Still in the supervised setting, the modularity and Katz centrality network measures are applied to classify multiple observation sets, and an evolving network construction method is applied to the dimensionality reduction problem. The semi-supervised paradigm is covered by extending the ease of access heuristic to the cases in which just a few labeled data samples and many unlabeled samples are available. A semi-supervised technique based on interacting forces is also proposed, for which we provide parameter heuristics and stability analysis via a Lyapunov function. Finally, an unsupervised network-based technique uses the concepts of pinning control and consensus time from dynamical processes to derive a similarity measure used to cluster data. The data is represented by a connected and sparse network in which nodes are dynamical elements. Simulations on benchmark data sets and comparisons to well-known machine learning techniques are provided for all proposed techniques. Advantages of network data representation and dynamical processes for machine learning are highlighted in all cases / A extração de conhecimento útil a partir de conjuntos de dados é um conceito chave em sistemas de informação modernos. Por conseguinte, a necessidade de técnicas eficientes para extrair o conhecimento desejado vem crescendo ao longo do tempo. Aprendizado de máquina é uma área de pesquisa dedicada ao desenvolvimento de técnicas capazes de permitir que uma máquina \"aprenda\" a partir de conjuntos de dados. Muitas técnicas já foram propostas, mas ainda há questões a serem reveladas especialmente em pesquisas interdisciplinares. Nesta tese, exploramos as vantagens da representação de dados em rede para desenvolver técnicas de aprendizado de máquina baseadas em processos dinâmicos em redes. A representação em rede unifica a estrutura, a dinâmica e as funções do sistema representado e, portanto, é capaz de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos conjuntos de dados sob análise. Desenvolvemos técnicas baseadas em rede para os três paradigmas de aprendizado de máquina: supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. O processo dinâmico de passeio aleatório é utilizado para caracterizar o acesso de dados não rotulados às classes de dados configurando uma nova heurística no paradigma supervisionado, a qual chamamos de facilidade de acesso. Também propomos uma técnica de classificação de dados que combina a visão de alto nível dos dados, por meio da caracterização topológica de rede, com relações de baixo nível, por meio de medidas de similaridade, em uma estrutura geral. Ainda no aprendizado supervisionado, as medidas de rede modularidade e centralidade Katz são aplicadas para classificar conjuntos de múltiplas observações, e um método de construção evolutiva de rede é aplicado ao problema de redução de dimensionalidade. O paradigma semissupervisionado é abordado por meio da extensão da heurística de facilidade de acesso para os casos em que apenas algumas amostras de dados rotuladas e muitas amostras não rotuladas estão disponíveis. É também proposta uma técnica semissupervisionada baseada em forças de interação, para a qual fornecemos heurísticas para selecionar parâmetros e uma análise de estabilidade mediante uma função de Lyapunov. Finalmente, uma técnica não supervisionada baseada em rede utiliza os conceitos de controle pontual e tempo de consenso de processos dinâmicos para derivar uma medida de similaridade usada para agrupar dados. Os dados são representados por uma rede conectada e esparsa na qual os vértices são elementos dinâmicos. Simulações com dados de referência e comparações com técnicas de aprendizado de máquina conhecidas são fornecidos para todas as técnicas propostas. As vantagens da representação de dados em rede e de processos dinâmicos para o aprendizado de máquina são evidenciadas em todos os casos

Machine learning is evidenced as a research area with the main purpose of developing computational methods that are capable of learning with their previously acquired experiences. Although a large amount of machine learning techniques has been proposed and successfully applied in real systems, there are still many challenging issues, which need be addressed. In the last years, an increasing interest in techniques based on complex networks (large-scale graphs with nontrivial connection patterns) has been verified. This emergence is explained by the inherent advantages provided by the complex network representation, which is able to capture the spatial, topological and functional relations of the data. In this work, we investigate the new features and possible advantages offered by complex networks in the machine learning domain. In fact, we do show that the network-based approach really brings interesting features for supervised, semisupervised, and unsupervised learning. Specifically, we reformulate a previously proposed particle competition technique for both unsupervised and semisupervised learning using a stochastic nonlinear dynamical system. Moreover, an analytical analysis is supplied, which enables one to predict the behavior of the proposed technique. In addition to that, data reliability issues are explored in semisupervised learning. Such matter has practical importance and is found to be of little investigation in the literature. With the goal of validating these techniques for solving real problems, simulations on broadly accepted databases are conducted. Still in this work, we propose a hybrid supervised classification technique that combines both low and high orders of learning. The low level term can be implemented by any classification technique, while the high level term is realized by the extraction of features of the underlying network constructed from the input data. Thus, the former classifies the test instances by their physical features, while the latter measures the compliance of the test instances with the pattern formation of the data. Our study shows that the proposed technique not only can realize classification according to the semantic meaning of the data, but also is able to improve the performance of traditional classification techniques. Finally, it is expected that this study will contribute, in a relevant manner, to the machine learning area / Aprendizado de máquina figura-se como uma área de pesquisa que visa a desenvolver métodos computacionais capazes de aprender com a experiência. Embora uma grande quantidade de técnicas de aprendizado de máquina foi proposta e aplicada, com sucesso, em sistemas reais, existem ainda inúmeros problemas desafiantes que necessitam ser explorados. Nos últimos anos, um crescente interesse em técnicas baseadas em redes complexas (grafos de larga escala com padrões de conexão não triviais) foi verificado. Essa emergência é explicada pelas inerentes vantagens que a representação em redes complexas traz, sendo capazes de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos dados. Nesta tese, serão investigadas as possíveis vantagens oferecidas por redes complexas quando utilizadas no domínio de aprendizado de máquina. De fato, será mostrado que a abordagem por redes realmente proporciona melhorias nos aprendizados supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. Especificamente, será reformulada uma técnica de competição de partículas para o aprendizado não supervisionado e semissupervisionado por meio da utilização de um sistema dinâmico estocástico não linear. Em complemento, uma análise analítica de tal modelo será desenvolvida, permitindo o entendimento evolucional do modelo no tempo. Além disso, a questão de confiabilidade de dados será investigada no aprendizado semissupervisionado. Tal tópico tem importância prática e é pouco estudado na literatura. Com o objetivo de validar essas técnicas em problemas reais, simulações computacionais em bases de dados consagradas pela literatura serão conduzidas. Ainda nesse trabalho, será proposta uma técnica híbrica de classificação supervisionada que combina tanto o aprendizado de baixo como de alto nível. O termo de baixo nível pode ser implementado por qualquer técnica de classificação tradicional, enquanto que o termo de alto nível é realizado pela extração das características de uma rede construída a partir dos dados de entrada. Nesse contexto, aquele classifica as instâncias de teste segundo qualidades físicas, enquanto que esse estima a conformidade da instância de teste com a formação de padrões dos dados. Os estudos aqui desenvolvidos mostram que o método proposto pode melhorar o desempenho de técnicas tradicionais de classificação, além de permitir uma classificação de acordo com o significado semântico dos dados. Enfim, acredita-se que este estudo possa gerar contribuições relevantes para a área de aprendizado de máquina.

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Extracting useful knowledge from data sets is a key concept in modern information systems. Consequently, the need of efficient techniques to extract the desired knowledge has been growing over time. Machine learning is a research field dedicated to the development of techniques capable of enabling a machine to \"learn\" from data. Many techniques have been proposed so far, but there are still issues to be unveiled specially in interdisciplinary research. In this thesis, we explore the advantages of network data representation to develop machine learning techniques based on dynamical processes on networks. The network representation unifies the structure, dynamics and functions of the system it represents, and thus is capable of capturing the spatial, topological and functional relations of the data sets under analysis. We develop network-based techniques for the three machine learning paradigms: supervised, semi-supervised and unsupervised. The random walk dynamical process is used to characterize the access of unlabeled data to data classes, configuring a new heuristic we call ease of access in the supervised paradigm. We also propose a classification technique which combines the high-level view of the data, via network topological characterization, and the low-level relations, via similarity measures, in a general framework. Still in the supervised setting, the modularity and Katz centrality network measures are applied to classify multiple observation sets, and an evolving network construction method is applied to the dimensionality reduction problem. The semi-supervised paradigm is covered by extending the ease of access heuristic to the cases in which just a few labeled data samples and many unlabeled samples are available. A semi-supervised technique based on interacting forces is also proposed, for which we provide parameter heuristics and stability analysis via a Lyapunov function. Finally, an unsupervised network-based technique uses the concepts of pinning control and consensus time from dynamical processes to derive a similarity measure used to cluster data. The data is represented by a connected and sparse network in which nodes are dynamical elements. Simulations on benchmark data sets and comparisons to well-known machine learning techniques are provided for all proposed techniques. Advantages of network data representation and dynamical processes for machine learning are highlighted in all cases / A extração de conhecimento útil a partir de conjuntos de dados é um conceito chave em sistemas de informação modernos. Por conseguinte, a necessidade de técnicas eficientes para extrair o conhecimento desejado vem crescendo ao longo do tempo. Aprendizado de máquina é uma área de pesquisa dedicada ao desenvolvimento de técnicas capazes de permitir que uma máquina \"aprenda\" a partir de conjuntos de dados. Muitas técnicas já foram propostas, mas ainda há questões a serem reveladas especialmente em pesquisas interdisciplinares. Nesta tese, exploramos as vantagens da representação de dados em rede para desenvolver técnicas de aprendizado de máquina baseadas em processos dinâmicos em redes. A representação em rede unifica a estrutura, a dinâmica e as funções do sistema representado e, portanto, é capaz de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos conjuntos de dados sob análise. Desenvolvemos técnicas baseadas em rede para os três paradigmas de aprendizado de máquina: supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. O processo dinâmico de passeio aleatório é utilizado para caracterizar o acesso de dados não rotulados às classes de dados configurando uma nova heurística no paradigma supervisionado, a qual chamamos de facilidade de acesso. Também propomos uma técnica de classificação de dados que combina a visão de alto nível dos dados, por meio da caracterização topológica de rede, com relações de baixo nível, por meio de medidas de similaridade, em uma estrutura geral. Ainda no aprendizado supervisionado, as medidas de rede modularidade e centralidade Katz são aplicadas para classificar conjuntos de múltiplas observações, e um método de construção evolutiva de rede é aplicado ao problema de redução de dimensionalidade. O paradigma semissupervisionado é abordado por meio da extensão da heurística de facilidade de acesso para os casos em que apenas algumas amostras de dados rotuladas e muitas amostras não rotuladas estão disponíveis. É também proposta uma técnica semissupervisionada baseada em forças de interação, para a qual fornecemos heurísticas para selecionar parâmetros e uma análise de estabilidade mediante uma função de Lyapunov. Finalmente, uma técnica não supervisionada baseada em rede utiliza os conceitos de controle pontual e tempo de consenso de processos dinâmicos para derivar uma medida de similaridade usada para agrupar dados. Os dados são representados por uma rede conectada e esparsa na qual os vértices são elementos dinâmicos. Simulações com dados de referência e comparações com técnicas de aprendizado de máquina conhecidas são fornecidos para todas as técnicas propostas. As vantagens da representação de dados em rede e de processos dinâmicos para o aprendizado de máquina são evidenciadas em todos os casos

Machine learning is evidenced as a research area with the main purpose of developing computational methods that are capable of learning with their previously acquired experiences. Although a large amount of machine learning techniques has been proposed and successfully applied in real systems, there are still many challenging issues, which need be addressed. In the last years, an increasing interest in techniques based on complex networks (large-scale graphs with nontrivial connection patterns) has been verified. This emergence is explained by the inherent advantages provided by the complex network representation, which is able to capture the spatial, topological and functional relations of the data. In this work, we investigate the new features and possible advantages offered by complex networks in the machine learning domain. In fact, we do show that the network-based approach really brings interesting features for supervised, semisupervised, and unsupervised learning. Specifically, we reformulate a previously proposed particle competition technique for both unsupervised and semisupervised learning using a stochastic nonlinear dynamical system. Moreover, an analytical analysis is supplied, which enables one to predict the behavior of the proposed technique. In addition to that, data reliability issues are explored in semisupervised learning. Such matter has practical importance and is found to be of little investigation in the literature. With the goal of validating these techniques for solving real problems, simulations on broadly accepted databases are conducted. Still in this work, we propose a hybrid supervised classification technique that combines both low and high orders of learning. The low level term can be implemented by any classification technique, while the high level term is realized by the extraction of features of the underlying network constructed from the input data. Thus, the former classifies the test instances by their physical features, while the latter measures the compliance of the test instances with the pattern formation of the data. Our study shows that the proposed technique not only can realize classification according to the semantic meaning of the data, but also is able to improve the performance of traditional classification techniques. Finally, it is expected that this study will contribute, in a relevant manner, to the machine learning area / Aprendizado de máquina figura-se como uma área de pesquisa que visa a desenvolver métodos computacionais capazes de aprender com a experiência. Embora uma grande quantidade de técnicas de aprendizado de máquina foi proposta e aplicada, com sucesso, em sistemas reais, existem ainda inúmeros problemas desafiantes que necessitam ser explorados. Nos últimos anos, um crescente interesse em técnicas baseadas em redes complexas (grafos de larga escala com padrões de conexão não triviais) foi verificado. Essa emergência é explicada pelas inerentes vantagens que a representação em redes complexas traz, sendo capazes de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos dados. Nesta tese, serão investigadas as possíveis vantagens oferecidas por redes complexas quando utilizadas no domínio de aprendizado de máquina. De fato, será mostrado que a abordagem por redes realmente proporciona melhorias nos aprendizados supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. Especificamente, será reformulada uma técnica de competição de partículas para o aprendizado não supervisionado e semissupervisionado por meio da utilização de um sistema dinâmico estocástico não linear. Em complemento, uma análise analítica de tal modelo será desenvolvida, permitindo o entendimento evolucional do modelo no tempo. Além disso, a questão de confiabilidade de dados será investigada no aprendizado semissupervisionado. Tal tópico tem importância prática e é pouco estudado na literatura. Com o objetivo de validar essas técnicas em problemas reais, simulações computacionais em bases de dados consagradas pela literatura serão conduzidas. Ainda nesse trabalho, será proposta uma técnica híbrica de classificação supervisionada que combina tanto o aprendizado de baixo como de alto nível. O termo de baixo nível pode ser implementado por qualquer técnica de classificação tradicional, enquanto que o termo de alto nível é realizado pela extração das características de uma rede construída a partir dos dados de entrada. Nesse contexto, aquele classifica as instâncias de teste segundo qualidades físicas, enquanto que esse estima a conformidade da instância de teste com a formação de padrões dos dados. Os estudos aqui desenvolvidos mostram que o método proposto pode melhorar o desempenho de técnicas tradicionais de classificação, além de permitir uma classificação de acordo com o significado semântico dos dados. Enfim, acredita-se que este estudo possa gerar contribuições relevantes para a área de aprendizado de máquina.