Apprentissage machine efficace : théorie et pratique

Abstract

Malgré des progrès constants en termes de capacité de calcul, mémoire et quantité de données disponibles, les algorithmes d'apprentissage machine doivent se montrer efficaces dans l'utilisation de ces ressources. La minimisation des coûts est évidemment un facteur important, mais une autre motivation est la recherche de mécanismes d'apprentissage capables de reproduire le comportement d'êtres intelligents. Cette thèse aborde le problème de l'efficacité à travers plusieurs articles traitant d'algorithmes d'apprentissage variés : ce problème est vu non seulement du point de vue de l'efficacité computationnelle (temps de calcul et mémoire utilisés), mais aussi de celui de l'efficacité statistique (nombre d'exemples requis pour accomplir une tâche donnée). Une première contribution apportée par cette thèse est la mise en lumière d'inefficacités statistiques dans des algorithmes existants. Nous montrons ainsi que les arbres de décision généralisent mal pour certains types de tâches (chapitre 3), de même que les algorithmes classiques d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), chacun étant affecté par une forme particulière de la malédiction de la dimensionalité. Pour une certaine classe de réseaux de neurones, appelés réseaux sommes-produits, nous montrons qu'il peut être exponentiellement moins efficace de représenter certaines fonctions par des réseaux à une seule couche cachée, comparé à des réseaux profonds (chapitre 4). Nos analyses permettent de mieux comprendre certains problèmes intrinsèques liés à ces algorithmes, et d'orienter la recherche dans des directions qui pourraient permettre de les résoudre. Nous identifions également des inefficacités computationnelles dans les algorithmes d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), et dans l'apprentissage de mélanges de Gaussiennes en présence de valeurs manquantes (chapitre 6). Dans les deux cas, nous proposons de nouveaux algorithmes capables de traiter des ensembles de données significativement plus grands. Les deux derniers chapitres traitent de l'efficacité computationnelle sous un angle différent. Dans le chapitre 7, nous analysons de manière théorique un algorithme existant pour l'apprentissage efficace dans les machines de Boltzmann restreintes (la divergence contrastive), afin de mieux comprendre les raisons qui expliquent le succès de cet algorithme. Finalement, dans le chapitre 8 nous présentons une application de l'apprentissage machine dans le domaine des jeux vidéo, pour laquelle le problème de l'efficacité computationnelle est relié à des considérations d'ingénierie logicielle et matérielle, souvent ignorées en recherche mais ô combien importantes en pratique.

Despite constant progress in terms of available computational power, memory and amount of data, machine learning algorithms need to be efficient in how they use them. Although minimizing cost is an obvious major concern, another motivation is to attempt to design algorithms that can learn as efficiently as intelligent species. This thesis tackles the problem of efficient learning through various papers dealing with a wide range of machine learning algorithms: this topic is seen both from the point of view of computational efficiency (processing power and memory required by the algorithms) and of statistical efficiency (n umber of samples necessary to solve a given learning task).The first contribution of this thesis is in shedding light on various statistical inefficiencies in existing algorithms. Indeed, we show that decision trees do not generalize well on tasks with some particular properties (chapter 3), and that a similar flaw affects typical graph-based semi-supervised learning algorithms (chapter 5). This flaw is a form of curse of dimensionality that is specific to each of these algorithms. For a subclass of neural networks, called sum-product networks, we prove that using networks with a single hidden layer can be exponentially less efficient than when using deep networks (chapter 4). Our analyses help better understand some inherent flaws found in these algorithms, and steer research towards approaches that may potentially overcome them. We also exhibit computational inefficiencies in popular graph-based semi-supervised learning algorithms (chapter 5) as well as in the learning of mixtures of Gaussians with missing data (chapter 6). In both cases we propose new algorithms that make it possible to scale to much larger datasets. The last two chapters also deal with computational efficiency, but in different ways. Chapter 7 presents a new view on the contrastive divergence algorithm (which has been used for efficient training of restricted Boltzmann machines). It provides additional insight on the reasons why this algorithm has been so successful. Finally, in chapter 8 we describe an application of machine learning to video games, where computational efficiency is tied to software and hardware engineering constraints which, although often ignored in research papers, are ubiquitous in practice.