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Das Unvorhersehbare vorhersagen: Representation Learning von Zeitreihen Marisa Mohr Hamburg, 12. Juni 2019

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Das Unvorhersehbare vorhersagen:

Representation Learning von Zeitreihen

Marisa Mohr Hamburg, 12. Juni 2019

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M.Sc. Mathematik

Machine Learning Engineer @inovex • Machine Perception & Artificial Intelligence

• IoT und Predictive Maintenance

Doktorandin @Universität zu Lübeck• Institut für Informationssysteme, Prof. Dr. Ralf Möller

• “Time-Series Representation Learning”

Marisa Mohr

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@MarsaMo1

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Bild: http://www.clker.com/clipart-27380.html

Dynamisches Auf und Ab

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High Dimensionality

Bild: https://towardsdatascience.com/artificial-intelligence-in-2019-bb5cf3d39e4e

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Low Sample Size

Bild: https://towardsdatascience.com/artificial-intelligence-in-2019-bb5cf3d39e4e

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Interpretierbarkeit

Bild: https://towardsdatascience.com/artificial-intelligence-in-2019-bb5cf3d39e4e

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Die innere Naturdes erzeugenden Systems einer Zeitreihe verstehen.

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Representation Learning

Modell

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Ziel

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Deep Dive

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Was ist eine Zeitreihe?

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1. Notiere den Messwert einer Beobachtung!

2. Notiere den Zeitpunkt t = 0 → !&.

3. Weitere Beobachtungen zuunterschiedlichen Zeiten mitäquidistantem Abstand → !(, !*, !+, . . .

4. Alle Beobachtungen zusammen ergebendie Zeitreihe → ! = (!&, !(, !*, …!.)

Messwert

Zeit

!&

0 1 2 3 …

!(

!*!+

!3

Abhängig von Zeit und Rauschen!

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Symbolische Abstraktionen.

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Symbolisierung

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• Unterteilung des Datenbereichs • Ordnungsrelationen

d c b a

Sequenz: acaddcaaaccbbccccdaca

Klassisch: Ordinal:

Sequenz: …

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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&'()(⋅+( > &'()-⋅+( > &'()+⋅+(

Zeitpunkt t = 60Ordnung d = 2

12,24(64) = (4, 8, 2)

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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&'()*⋅,( > &'(),⋅,( > &'()(⋅,(./,/1(31) = (5, /, 1)

Zeitpunkt t = 80

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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&'(()*⋅*( > &'(()(⋅*( > &'(()'⋅*(-.,.0(200) = (., 0, 2)

Zeitpunkt t = 100

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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&'()*)⋅() > &'()*'⋅() > &'()*(⋅()-.,.0(2.0) = (0, 2, .)

Zeitpunkt t = 120

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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(', ), *)

t = 120t = 100

t = 80t = 60

(*, ', ))(), *, ')(', ), *)

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Symbolisierung von Zeitreihen

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Klassisch: Ordinal:

Symbolisierungen von Zeitreihen, und nun?

Sequenzen: (2,0,1), (1,2,0), (2,0,1),….

d c b a

Sequenz: acaddcaaaccbbccccdaca

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Komplexität

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acaddcaaaccbbccccdaca

abcdabcdabcdabcdabcd

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Klassischer Ansatz

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Benötigte Anzahl an Bits, um eine Symbol-Sequenz anzuzeigen oder zu übermitteln

Wie bestimmt man Komplexität?Gleichverteilung

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a b c d e f g h

1

1

1 1

1

1 1

0

0

0 0 0 0

0

! Symbole, Gleichverteilung: "# = %&

p = (18 ,18 ,18 ,18 ,18 ,18 ,18 ,18)

Höhelog !

log ! = log 1" = log 1 − log " = − log "

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› Nicht jedes Zeichen bzw. jede Nachricht ist gleichverteilt

› Sequenz: acaddcaaaccbbccccdaca

Wie bestimmt man Komplexität?Keine Gleichverteilung

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b d

1

1

1

0

0

0

p = ( 221 ,321 ,

721 ,

921)

a

c

+ Zeichen, keine Gleichverteilung: ,- ≠ ,/

Nachricht Code Länge Erwartete Länge

b 111 3 0,286

d 110 3 0,429

a 10 2 0,667

c 0 1 0,429

Erwartete Länge 1,811

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Entropie

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−"#$%

&'# log '#log + = − log '

Gleichverteilung Keine Gleichverteilung

'%, '., … , '& ist ein stochastischer Vektor, d.h., • '%, '., … '& ∈ [0,1] und• ∑'# = 1

Nichts Neues: Shannon (1948)

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Nutze das Auf und Ab!

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−"# $ log # $ ,#) #)

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= Shannon-Entropie ordinaler Muster

wobei ! " die relative Häufigkeit des ordinalen Musters " in der Zeitreihe ist.

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Permutationsentropie (PE)

−$%∈'

! " log ! " ,

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Ordinales Muster mit Delay ! = 20 und Ordnung % = 2

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(', ), *)(*, ', ))(), *, ')(', ), *)

,-. = −24 log24 − 14 log

14 − 14 log

14 = 1,5

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Beispiel mit Ordnung ! = 1

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$%& = −45 log45 − 15 log

15 ≈ 0,7219

• 4 Fenster mit 34 < 346&, d.h., 7&89 = (0,1)• 1 Fenster mit 34 > 346&, d.h., 7&89 = (1,0)

1 2 3 4 5 6

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FazitNur ein weiteres beschreibendes Feature?

• „natürliches, intrinsisches“ Maß basierend auf Informationen statt Abständen

• Interpretierbares Auf und Ab des erzeugenden Systems• Nachbarn werden berücksichtigt• Konzeptionelles, interpretierbares Maß

• Kann um Bedingte W‘keiten oder Amplituden erweitert werden• Anwendung in Medizin (EEG, EKG, …) oder Wirtschaft (Aktien,

Populationen,…)

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Chaos

• Ausgangssituation kann bei Wiederholung nicht identisch hergestellt werden

• Experiment landet nach kurzer Zeit in deutlich anderen Zuständen

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Wetter Räuber-Beute-Modell

Tödliche Embolien

Entstehung

bösartiger

TumoreAusfall bestimmter

Hirnfunktionen beim Schlaganfall

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Anwendungen

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Quelle: Keller, K., Mangold, T., Stolz, I., Werner, J.: Permutation Entropy: New Ideas and Challenges Entropy 19(3) (2017)

Klassifikation + Detektion von epileptischen Anfällen

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Daten: • EEG-Datenbank• Länge von 23.6s• Sampling Rate 173.61 Hz.• 5 Gruppen, je 100 Zeitreihen

Gesund? Wie gemessen? Zustand

A ja Oberfläche Offene Augen

B ja Oberfläche Geschlossene Augen

C nein Intrakraniell, epileptogene Zone Anfallsfreie Zeit

D nein Intrakraniell, gegenüberliegende Gehirnhälfte

Anfallsfreie Zeit

E nein intrakraniell Anfallszeit

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https://www.cmsattler.de/diktieren-spracherkennung-und-sprache-4-0/ , http://truth-and-beauty.net/projects/emoto, https://medium.com/@5agado/building-a-personal-virtual-assistant-step-1-your-cv-as-a-chatbot-a4381fce6983

Wo spielt das “Auf und Ab“ noch eine Rolle?

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Vielen DankMarisa MohrMachine Learning Engineer

inovex GmbH

Friesenweg 4 / Haus 13

22763 Hamburg

[email protected]

01523 3181 259