Afin de pouvoir évoluer de manière autonome et sûre dans leur environnement, les robots doivent être capables d'en construire un modèle fiable et pertinent. Pour des tâches variées dans des environnements complexes, il est difficile de prévoir de manière exhaustive les capacités nécessaires au robot. Il est alors intéressant de doter les robots de mécanismes d'apprentissage leur donnant la possibilité de construire eux-mêmes des représentations adaptées à leur environnement. Se posent alors deux questions : quelle doit être la nature des représentations utilisées et par quels mécanismes peuvent-elles être apprises ? Nous proposons pour cela l'utilisation de l'hypothèse des sous-variétés afin de développer des architectures permettant de faire émerger une représentation symbolique de flux sensorimoteurs bruts. Nous montrons que le paradigme de l'apprentissage profond fournit des mécanismes appropriés à l'apprentissage autonome de telles représentations. Nous démontrons que l'exploitation de la nature multimodale des flux sensorimoteurs permet d'en obtenir une représentation symbolique pertinente. Dans un second temps, nous étudions le problème de l'évolution temporelle des stimuli. Nous discutons les défauts de la plupart des approches aujourd'hui utilisées et nous esquissons une approche à partir de laquelle nous approfondissons deux sous-problèmes. Dans une troisième partie, nous proposons des pistes de recherche pour permettre le passage des expériences de laboratoire à des environnements naturels. Nous explorons plus particulièrement la problématique de la curiosité artificielle dans des réseaux de neurones non supervisés. / This thesis studies the use of deep neural networks to learn high level representations from raw inputs on robots, based on the "manifold hypothesis".

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Dans cette thèse, nous proposons des méthodes a faible complexité pour la classification en présence d'un très grand nombre de catégories. Ces methodes permettent d'accelerer la prediction des classifieurs afin des les rendre utilisables dans les applications courantes. Nous proposons deux methodes destinées respectivement a la classification monolabel et a la classification multilabel. La première méthode utilise l'information hierarchique existante entre les catégories afin de créer un représentation binaire compact de celles-ci. La seconde approche , destinée aux problemes multilabel adpate le framework des Filtres de Bloom a la representation de sous ensembles de labels sous forme de de vecteurs binaires sparses. Dans chacun des cas, des classifieurs binaires sont appris afin de prédire les representations des catégories/labels et un algorithme permettant de retrouver l'ensemble de catégories pertinentes a partir de la représentation prédite est proposée. Les méthodes proposées sont validées par des expérience sur des données de grandes échelles et donnent des performances supérieures aux méthodes classiquement utilisées pour la classification extreme. / We propose in this thesis new methods to tackle classification problems with a large number of labes also called extreme classification. The proposed approaches aim at reducing the inference conplexity in comparison with the classical methods such as one-versus-rest in order to make learning machines usable in a real life scenario. We propose two types of methods respectively for single label and multilable classification. The first proposed approach uses existing hierarchical information among the categories in order to learn low dimensional binary representation of the categories. The second type of approaches, dedicated to multilabel problems, adapts the framework of Bloom Filters to represent subsets of labels with sparse low dimensional binary vectors. In both approaches, binary classifiers are learned to predict the new low dimensional representation of the categories and several algorithms are also proposed to recover the set of relevant labels. Large scale experiments validate the methods.

L’enjeu majeur de cette thèse réside dans l’amélioration de l’adéquation entre l’information retournée et les attentes des utilisateurs à l’aide de profils riches et efficaces. Il s’agit donc d’exploiter au maximum les retours utilisateur (qu’ils soient donnés sous la forme de clics, de notes ou encore d’avis écrits) et le contexte. En parallèle la forte croissance des appareils nomades (smartphones, tablettes) et par conséquent de l’informatique ubiquitaire nous oblige à repenser le rôle des systèmes d’accès à l’information. C’est pourquoi nous ne nous sommes pas seulement intéressés à la performance à proprement parler mais aussi à l’accompagnement de l’utilisateur dans son accès à l’information. Durant ces travaux de thèse, nous avons choisi d’exploiter les textes écrit par les utilisateurs pour affiner leurs profils et contextualiser la recommandation. À cette fin, nous avons utilisé les avis postés sur les sites spécialisés (IMDb, RateBeer, BeerAdvocate) et les boutiques en ligne (Amazon) ainsi que les messages postés sur Twitter.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux problématiques de modélisation de la dynamique des utilisateurs. En plus d’aider à l’amélioration des performances du système, elle permet d’apporter une forme d’explication quant aux items proposés. Ainsi, nous proposons d’accompagner l’utilisateur dans son accès à l’information au lieu de le contraindre à un ensemble d’items que le système juge pertinents. / The main goal of this thesis resides in using rich and efficient profiling to improve the adequation between the retrieved information and the user's expectations. We focus on exploiting as much feedback as we can (being clicks, ratings or written reviews) as well as context. In the meantime, the tremendous growth of ubiquitous computing forces us to rethink the role of information access platforms. Therefore, we took interest not solely in performances but also in accompanying users through their access to the information. Through this thesis, we focus on users dynamics modeling. Not only it improves the system performances but it also brings some kind of explicativity to the recommendation. Thus, we propose to accompany the user through his experience accessing information instead of constraining him to a given set of items the systems finds fitting.

Dans ce manuscrit, nous étudions la diffusion d'information dans les réseaux sociaux en ligne. Des sites comme Facebook ou Twitter sont en effet devenus aujourd'hui des media d'information à part entière, sur lesquels les utilisateurs échangent de grandes quantités de données. La plupart des modèles existant pour expliquer ce phénomène de diffusion sont des modèles génératifs, basés sur des hypothèses fortes concernant la structure et la dynamique temporelle de la diffusion d'information. Nous considérerons dans ce manuscrit le problème de la prédiction de diffusion dans le cas où le graphe social est inconnu, et où seules les actions des utilisateurs peuvent être observées. - Nous proposons, dans un premier temps, une méthode d'apprentissage du modèle independent cascade consistant à ne pas prendre en compte la dimension temporelle de la diffusion. Des résultats expérimentaux obtenus sur des données réelles montrent que cette approche permet d'obtenir un modèle plus performant et plus robuste. - Nous proposons ensuite plusieurs méthodes de prédiction de diffusion reposant sur des technique d'apprentissage de représentations. Celles-ci nous permettent de définir des modèles plus compacts, et plus robustes à la parcimonie des données. - Enfin, nous terminons en appliquant une approche similaire au problème de détection de source, consistant à retrouver l'utilisateur ayant lancé une rumeur sur un réseau social. En utilisant des méthodes d'apprentissage de représentations, nous obtenons pour cette tâche un modèle beaucoup plus rapide et performant que ceux de l'état de l'art. / In this thesis, we study information diffusion in online social networks. Websites like Facebook or Twitter have indeed become information medias, on which users create and share a lot of data. Most existing models of the information diffusion phenomenon relies on strong hypothesis about the structure and dynamics of diffusion. In this document, we study the problem of diffusion prediction in the context where the social graph is unknown and only user actions are observed. - We propose a learning algorithm for the independant cascades model that does not take time into account. Experimental results show that this approach obtains better results than time-based learning schemes. - We then propose several representations learning methods for this task of diffusion prediction. This let us define more compact and faster models. - Finally, we apply our representation learning approach to the source detection task, where it obtains much better results than graph-based approaches.

En raison de ses enjeux sociétaux, économiques et culturels, l’intelligence artificielle (dénotée IA) est aujourd’hui un sujet d’actualité très populaire. L’un de ses principaux objectifs est de développer des systèmes qui facilitent la vie quotidienne de l’homme, par le biais d’applications telles que les robots domestiques, les robots industriels, les véhicules autonomes et bien plus encore. La montée en popularité de l’IA est fortement due à l’émergence d’outils basés sur des réseaux de neurones profonds qui permettent d’apprendre simultanément, la représentation des données (qui était traditionnellement conçue à la main), et la tâche à résoudre (qui était traditionnellement apprise à l’aide de modèles d’apprentissage automatique). Ceci résulte de la conjonction des avancées théoriques, de la capacité de calcul croissante ainsi que de la disponibilité de nombreuses données annotées. Un objectif de longue date de l’IA est de concevoir des machines inspirées des humains, capables de percevoir le monde, d’interagir avec les humains, et tout ceci de manière évolutive (c’est `a dire en améliorant constamment la capacité de perception du monde et d’interaction avec les humains). Bien que l’IA soit un domaine beaucoup plus vaste, nous nous intéressons dans cette thèse, uniquement à l’IA basée apprentissage (qui est l’une des plus performante, à ce jour). Celle-ci consiste `a l’apprentissage d’un modèle qui une fois appris résoud une certaine tâche, et est généralement composée de deux sous-modules, l’un représentant la donnée (nommé ”représentation”) et l’autre prenant des décisions (nommé ”résolution de tâche”). Nous catégorisons, dans cette thèse, les travaux autour de l’IA, dans les deux approches d’apprentissage suivantes : (i) Spécialisation : apprendre des représentations à partir de quelques tâches spécifiques dans le but de pouvoir effectuer des tâches très spécifiques (spécialisées dans un certain domaine) avec un très bon niveau de performance; ii) Universalité : apprendre des représentations à partir de plusieurs tâches générales dans le but d’accomplir autant de tâches que possible dansdifférents contextes. Alors que la spécialisation a été largement explorée par la communauté de l’apprentissage profond, seules quelques tentatives implicites ont été réalisée vers la seconde catégorie, à savoir, l’universalité. Ainsi, le but de cette thèse est d’aborder explicitement le problème de l’amélioration de l’universalité des représentations avec des méthodes d’apprentissage profond, pour les données d’image et de texte. [...] / Because of its key societal, economic and cultural stakes, Artificial Intelligence (AI) is a hot topic. One of its main goal, is to develop systems that facilitates the daily life of humans, with applications such as household robots, industrial robots, autonomous vehicle and much more. The rise of AI is highly due to the emergence of tools based on deep neural-networks which make it possible to simultaneously learn, the representation of the data (which were traditionally hand-crafted), and the task to solve (traditionally learned with statistical models). This resulted from the conjunction of theoretical advances, the growing computational capacity as well as the availability of many annotated data. A long standing goal of AI is to design machines inspired humans, capable of perceiving the world, interacting with humans, in an evolutionary way. We categorize, in this Thesis, the works around AI, in the two following learning-approaches: (i) Specialization: learn representations from few specific tasks with the goal to be able to carry out very specific tasks (specialized in a certain field) with a very good level of performance; (ii) Universality: learn representations from several general tasks with the goal to perform as many tasks as possible in different contexts. While specialization was extensively explored by the deep-learning community, only a few implicit attempts were made towards universality. Thus, the goal of this Thesis is to explicitly address the problem of improving universality with deep-learning methods, for image and text data. We have addressed this topic of universality in two different forms: through the implementation of methods to improve universality (“universalizing methods”); and through the establishment of a protocol to quantify its universality. Concerning universalizing methods, we proposed three technical contributions: (i) in a context of large semantic representations, we proposed a method to reduce redundancy between the detectors through, an adaptive thresholding and the relations between concepts; (ii) in the context of neural-network representations, we proposed an approach that increases the number of detectors without increasing the amount of annotated data; (iii) in a context of multimodal representations, we proposed a method to preserve the semantics of unimodal representations in multimodal ones. Regarding the quantification of universality, we proposed to evaluate universalizing methods in a Transferlearning scheme. Indeed, this technical scheme is relevant to assess the universal ability of representations. This also led us to propose a new framework as well as new quantitative evaluation criteria for universalizing methods.

Dans l'apprentissage par renforcement profond basé sur la valeur avec des mémoires de relecture, le paramètre de taille de lot joue un rôle crucial en déterminant le nombre de transitions échantillonnées pour chaque mise à jour de gradient. Étonnamment, malgré son importance, ce paramètre n'est généralement pas ajusté lors de la proposition de nouveaux algorithmes. Dans ce travail, nous menons une vaste étude empirique qui suggère que la réduction de la taille des lots peut entraîner un certain nombre de gains de performances significatifs ; ceci est surprenant et contraire à la pratique courante consistant à utiliser de plus grandes tailles de lots pour améliorer la formation du réseau neuronal. Ce résultat inattendu défie la sagesse conventionnelle et appelle à une compréhension plus approfondie des gains de performances observés associés à des tailles de lots plus petites. Pour faire la lumière sur les facteurs sous-jacents, nous complétons nos résultats expérimentaux par une série d'analyses empiriques. Ces analyses approfondissent divers aspects du processus d'apprentissage, tels que l'analyse de la dynamique d'optimisation du réseau, la vitesse de convergence, la stabilité et les capacités d'exploration. Le chapitre 1 présente les concepts nécessaires pour comprendre le travail présenté, notamment des aperçus de l'Apprentissage Profond (Deep Learning) et de l'Apprentissage par Renforcement (Reinforcement Learning). Le chapitre 2 contient une description détaillée de nos contributions visant à comprendre les gains de performance observés associés à des tailles de lots plus petites lors de l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage par renforcement profond basés sur la valeur. À la fin, des conclusions tirées de ce travail sont fournies, incluant des suggestions pour des travaux futurs. Le chapitre 3 aborde ce travail dans le contexte plus large de la recherche en apprentissage par renforcement. / In value-based deep reinforcement learning with replay memories, the batch size parameter plays a crucial role by determining the number of transitions sampled for each gradient update. Surprisingly, despite its importance, this parameter is typically not adjusted when proposing new algorithms. In this work, we conduct a broad empirical study that suggests {\em reducing} the batch size can result in a number of significant performance gains; this is surprising and contrary to the prevailing practice of using larger batch sizes to enhance neural network training. This unexpected result challenges the conventional wisdom and calls for a deeper understanding of the observed performance gains associated with smaller batch sizes. To shed light on the underlying factors, we complement our experimental findings with a series of empirical analyses such as analysis of network optimization dynamics, convergence speed, stability, and exploration capabilities. Chapter 1 introduces concepts necessary to understand the work presented, including overviews of Deep Learning and Reinforcement Learning. Chapter 2 contains a detailed description of our contributions towards understanding the observed performance gains associated with smaller batch sizes when using value based deep reinforcement learning algorithms. At the end, some conclusions drawn from this work are provided, including some exciting suggestion as future work. Chapter 3 talks about this work in the broader context of reinforcement learning research.

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La thèse porte sur le développement d'architectures neuronales profondes permettant d'analyser des contenus textuels ou visuels, ou la combinaison des deux. De manière générale, le travail tire parti de la capacité des réseaux de neurones à apprendre des représentations abstraites. Les principales contributions de la thèse sont les suivantes: 1) Réseaux récurrents pour la compréhension de la parole: différentes architectures de réseaux sont comparées pour cette tâche sur leurs facultés à modéliser les observations ainsi que les dépendances sur les étiquettes à prédire. 2) Prédiction d’image et de mouvement : nous proposons une architecture permettant d'apprendre une représentation d'une image représentant une action humaine afin de prédire l'évolution du mouvement dans une vidéo ; l'originalité du modèle proposé réside dans sa capacité à prédire des images à une distance arbitraire dans une vidéo. 3) Encodeurs bidirectionnels multimodaux : le résultat majeur de la thèse concerne la proposition d'un réseau bidirectionnel permettant de traduire une modalité en une autre, offrant ainsi la possibilité de représenter conjointement plusieurs modalités. L'approche été étudiée principalement en structuration de collections de vidéos, dons le cadre d'évaluations internationales où l'approche proposée s'est imposée comme l'état de l'art. 4) Réseaux adverses pour la fusion multimodale: la thèse propose d'utiliser les architectures génératives adverses pour apprendre des représentations multimodales en offrant la possibilité de visualiser les représentations dans l'espace des images. / In this dissertation, the thesis that deep neural networks are suited for analysis of visual, textual and fused visual and textual content is discussed. This work evaluates the ability of deep neural networks to learn automatic multimodal representations in either unsupervised or supervised manners and brings the following main contributions:1) Recurrent neural networks for spoken language understanding (slot filling): different architectures are compared for this task with the aim of modeling both the input context and output label dependencies.2) Action prediction from single images: we propose an architecture that allow us to predict human actions from a single image. The architecture is evaluated on videos, by utilizing solely one frame as input.3) Bidirectional multimodal encoders: the main contribution of this thesis consists of neural architecture that translates from one modality to the other and conversely and offers and improved multimodal representation space where the initially disjoint representations can translated and fused. This enables for improved multimodal fusion of multiple modalities. The architecture was extensively studied an evaluated in international benchmarks within the task of video hyperlinking where it defined the state of the art today.4) Generative adversarial networks for multimodal fusion: continuing on the topic of multimodal fusion, we evaluate the possibility of using conditional generative adversarial networks to lean multimodal representations in addition to providing multimodal representations, generative adversarial networks permit to visualize the learned model directly in the image domain.

Cette thèse porte sur les techniques de l’apprentissage machine et leur application à un problème important de la physique des particules expérimentale: l’identification des électrons de signal résultant des collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons. Au chapitre 1, nous fournissons des informations sur le Grand collisionneur de hadrons et expliquons pourquoi il a été construit. Nous présentons ensuite plus de détails sur ATLAS, l’un des plus importants détecteurs du Grand collisionneur de hadrons. Ensuite, nous expliquons en quoi consiste la tâche d’identification des électrons ainsi que l’importance de bien la mener à terme. Enfin, nous présentons des informations détaillées sur l’ensemble de données que nous utilisons pour résoudre cette tâche d’identification des électrons. Au chapitre 2, nous donnons une brève introduction des principes fondamentaux de l’apprentissage machine. Après avoir défini et introduit les différents types de tâche d’apprentissage, nous discutons des diverses façons de représenter les données d’entrée. Ensuite, nous présentons ce qu’il faut apprendre de ces données et comment y parvenir. Enfin, nous examinons les problèmes qui pourraient se présenter en régime de “sur-apprentissage”. Au chapitres 3, nous motivons le choix de l’architecture choisie pour résoudre notre tâche, en particulier pour les sections où des images séquentielles sont utilisées comme entrées. Nous présentons ensuite les résultats de nos expériences et montrons que notre modèle fonctionne beaucoup mieux que les algorithmes présentement utilisés par la collaboration ATLAS. Enfin, nous discutons des futures orientations afin d’améliorer davantage nos résultats. Au chapitre 4, nous abordons les deux concepts que sont la généralisation hors distribution et la planéité de la surface associée à la fonction de coût. Nous prétendons que les algorithmes qui font converger la fonction coût vers minimum couvrant une région large et plate sont également ceux qui offrent le plus grand potentiel de généralisation pour les tâches hors distribution. Nous présentons les résultats de l’application de ces deux algorithmes à notre ensemble de données et montrons que cela soutient cette affirmation. Nous terminons avec nos conclusions. / This thesis is about applying the tools of Machine Learning to an important problem of experimental particle physics: identifying signal electrons after proton-proton collisions at the Large Hadron Collider. In Chapters 1, we provide some information about the Large Hadron Collider and explain why it was built. We give further details about one of the biggest detectors in the Large Hadron Collider, the ATLAS. Then we define what electron identification task is, as well as the importance of solving it. Finally, we give detailed information about our dataset that we use to solve the electron identification task. In Chapters 2, we give a brief introduction to fundamental principles of machine learning. Starting with the definition and types of different learning tasks, we discuss various ways to represent inputs. Then we present what to learn from the inputs as well as how to do it. And finally, we look at the problems that would arise if we “overdo” learning. In Chapters 3, we motivate the choice of the architecture to solve our task, especially for the parts that have sequential images as inputs. We then present the results of our experiments and show that our model performs much better than the existing algorithms that the ATLAS collaboration currently uses. Finally, we discuss future directions to further improve our results. In Chapter 4, we discuss two concepts: out of distribution generalization and flatness of loss surface. We claim that the algorithms, that brings a model into a wide flat minimum of its training loss surface, would generalize better for out of distribution tasks. We give the results of implementing two such algorithms to our dataset and show that it supports our claim. Finally, we end with our conclusions.