Transfer Learning  
Motivation and Types
Functional Transfer Learning
Representational Transfer Learning
References  
 The goal is to transfer knowledge gathered from previous experience.
  Also called Inductive Transfer or Learning to Learn.
 Example: Invariant transformations across tasks.
Winter.jpg
Winter.jpg
Transfer Learning
Motivation for transfer learning
Similar to self-adaptation: once predictive model isbuilt, there are reasons to believe the model will cease tobe valid at some point in time.
The difference is that now source and target domains canbe completely different.
Motivation Transfer Learning
Traditional Approach to Classification 
DB1
DB2
DBn
LearningSystem
LearningSystem
LearningSystem
Transfer Learning 
DB1
DB2
DB new
LearningSystem
LearningSystem
LearningSystem
Knowledge
Source
domain
Target
domain
Transfer Learning 
Scenarios:
1.Labeling in a new domain is costly.
DB1 (labeled)
Classification of Cepheids
DB2 (unlabeled)
Classification of LPV
Transfer Learning 
Scenarios:
2. Data is outdated. Model created with one survey but
a new survey is now available.
Survey 1
LearningSystem
Survey 2
?
C:\CentralRepositoryN\MachineLearning\Publications\Books\MetaLearningBook2007\General\FinalFiles\Melearning\Figs\Transfer.png
Types of Transfer Learning
Figure obtained from Brazdil, et. Al. Metalearning: Applications to Data Mining, Chapter 7,  Springer, 2009.
Transfer Learning  
Motivation and Types
Functional Transfer Learning
Representational Transfer Learning
References  
Input nodesInput nodes
Internal nodesInternal nodes
Output nodesOutput nodes
LeftLeft
StraightStraight
RightRight
Functional Transfer: Multitask Learning
Given example X,  compute the output of every node untilGiven example X,  compute the output of every node until
we reach the output nodes:we reach the output nodes:
Input nodesInput nodes
Internal nodesInternal nodes
Output nodesOutput nodes
Example XExample X
Compute sigmoidCompute sigmoid
    function    function
Functional Transfer in Neural Networks
C:\CentralRepositoryN\MachineLearning\Publications\Books\MetaLearningBook2007\General\FinalFiles\Melearning\Figs\example-astronomy.png
Train in Parallel with Combined Architecture
Figure obtained from Brazdil, et. Al. Metalearning: Applications to Data Mining, Chapter 7,  Springer, 2009.
Transfer Learning  
Motivation and Types
Functional Transfer Learning
Representational Transfer Learning
References  
Knowledge of Parameters 
Assume prior distribution of parameters
Source
domain
Learn parameters and adjust prior distribution
Target
domain
Learn parameters using the source prior
distribution.
P(y|x) = P(x|y) P(y)  /   P(x)
Parameter Similarity
Task A      Parameter A
Task B      Parameter B ~ A
Assume hyper-distribution with low variance.
Assume Parameter Similarity
Knowledge of Parameters 
scc
Find coefficients ws using SVMs
evrodem
Find coefficients wT using SVMs
initializing the search with ws
Feature Transfer 
Feature Transfer:
Target
domain
Source
domain
Shared representation across tasks
Minimize  Loss-Function( y, f(x))
The minimization is done over multiple tasks (multiple regions on Mars).
Feature Transfer
C:\CentralRepository\MachineLearning\Projects\PatternsInAstronomy-Physics\SegmentsMarsLong\fig5tgars.jpg
Identify common
Features to all tasks
Coded divided into pieces
New Solution
Add  pieces of code from previous tasks
Start a new solution from scratch
Meta-Searching for Problem Solvers
Exploitation: Maximize reward
                        vs
Exploration: Maximize long-term success.
Learn to keep the ball away from the opponent.
First Task
Learn to score the opponent.
Second Task
Transfer Learning in Robotics
Instance Transfer Learning 
Instance Transfer:
LearningSystem
Target
domain
Source
domain
Filter samples
Larger target dataset
New program called
TrAdaboost
Instance Transfer Learning 
New program called
TrAdaboost
The main idea is to have a methodology to deal with a changing distribution.
Examples in the source domain that look as belonging to a diff. distribution
      are discarded.
Examples in the source domain that look similar to the target domain are added
     to the training set.
Boosting 
DB
Incorrectly classified
instances  increase weight
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
Boosting 
DB
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
1
1
Combine all hypotheses to produce final weighted function:
w1 f1 + w2 f2 + … + wn fn
Automatic Instance Transfer 
Boosting
Source
domain
Target
domain
LearningSystem
(Boosting)
Incorrectly classified
instances  decrease weight
Incorrectly classified
instances  increase weight
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Automatic Instance Transfer 
Boosting for Transfer Learning, Wenyuan Dai, et. al. ICML 2007
Transfer Learning  
Motivation and Types
Functional Transfer Learning
Representational Transfer Learning
References  
Sinno Jialin Pan and Qiang Yang. A Survey on Transfer Learning.
IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,
22(10):1345-1359, Oct. 2010
Brazdil, P. et. al. Metalearning: Applications to Data Mining.
Springer, 2009.
Dai, W., Boosting for Transfer Learning, Proceedings of ICML 2007.
Video on transfer learning
http://www.youtube.com/watch?v=9ChVn3xVNDI&noredirect=1
References
Sinno Jialin Pan and Qiang Yang. A Survey on Transfer Learning.
IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,
22(10):1345-1359, Oct. 2010
Brazdil, P. et. al. Metalearning: Applications to Data Mining.
Springer, 2009.
Dai, W., Boosting for Transfer Learning, Proceedings of ICML 2007.
Video on transfer learning
http://www.youtube.com/watch?v=9ChVn3xVNDI&noredirect=1
References