Contributions à l'apprentissage de représentation de séries temporelles multivariées et de graphes
Edouard Pineau · HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe) · 2020
Les algorithmes de machine learning sont construits pour apprendre, à partir de données, des modèles statistiques de décision ou de prédiction, sur un large panel de tâches. En général, les modèles appris sont des approximations d'un "vrai" modèle de décision, dont la pertinence dépend d'un équilibre entre la richesse du modèle appris, la complexité de la distribution des données et la complexité de la tâche à résoudre à partir des données. Cependant, il est souvent nécessaire d'adopter des hypothèses simplificatrices sur la donnée (e.g. séparabilité linéaire, indépendance des observations, etc.). Quand la distribution des donnée est complexe (e.g. grande dimension avec des interactions non-linéaires entre les variables observées), les hypothèses simplificatrices peuvent être contre-productives. Il est alors nécessaire de trouver une représentation alternatives des données avant d'apprendre le modèle de décision. L'objectif de la représentation des données est de séparer l'information pertinente du bruit, en particulier quand l'information est latente (i.e. cachée dans la donnée), pour aider le modèle statistique de décision. Jusqu'à récemment, beaucoup de représentations standards étaient construites à la main par des experts. Avec l'essor des techniques nouvelles de machine learning, et en particulier l'utilisation de réseaux de neurones, des techniques d'apprentissage de représentation ont surpassées les représentations manuelles dans de nombreux domaines. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'apprentissage de représentation de séries temporelles multivariées (STM) et de graphes. STM et graphes sont des objets complexes qui ont des caractéristiques les rendant difficilement traitables par des algorithmes standards de machine learning. Par exemple, ils peuvent avoir des tailles variables et ont des alignements non-triviaux, qui empêchent l'utilisation de métriques standards pour les comparer entre eux. Il est alors nécessaire de trouver pour les échantillons observés (STM ou graphes) une représentation alternatives qui les rend comparables. Les contributions de ma thèses sont un ensemble d'analyses, d'approches pratiques et de résultats théoriques présentant des nouvelles manières d'apprendre une représentation de STM et de graphes. Deux méthodes de représentation de STM ont dédiées au suivi d'état caché de systèmes mécaniques. La première propose une représentation basée "model-based" appelée Sequence-to-graph (Seq2Graph). Seq2Graph se base sur l'hypothèse que les données observées ont été généré par un modèle causal simple, dont l'espace des paramètres sert d'espace de représentation. La second méthode propose une méthode générique de détection de tendances dans des séries temporelles, appelée Contrastive Trend Estimation (CTE), qui fait l'hypothèse que le vieillissement d'un système mécanique est monotone. Une preuve d'identifiabilité et une extension à des problèmes d'analyse de survie rendent cette approche puissante pour le suivi d'état de système mécaniques. Deux méthodes de représentation de graphes pour la classification sont aussi proposées. Une première propose de voir les graphes comme des séquences de nœuds et donc de les traiter avec un outil standard de représentation de séquences : un réseau de neurones récurrents. Une second méthode propose une analyse théorique et pratique du spectre du Laplacien pour la classification de graphes.