Submitted by LUIS ALEXANDRE DA SILVA null (luis@iontec.com.br) on 2016-11-10T17:42:59Z No. of bitstreams: 1 final_mestrado_LUIS_ALEXANDRE_DA_SILVA_2016.pdf: 1076876 bytes, checksum: 2ecd24d0aa99d8fac09eb7b56fc48eb7 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO null (luizaromanetto@hotmail.com) on 2016-11-16T16:33:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_la_me_sjrp.pdf: 1076876 bytes, checksum: 2ecd24d0aa99d8fac09eb7b56fc48eb7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-16T16:33:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_la_me_sjrp.pdf: 1076876 bytes, checksum: 2ecd24d0aa99d8fac09eb7b56fc48eb7 (MD5) Previous issue date: 2016-08-25 / O aprendizado de características tem sido um dos grandes desafios das técnicas baseadas em Redes Neurais Artificiais (RNAs), principalmente quando se trata de um grande número de amostras e características que as definem. Uma técnica ainda pouco explorada nesse campo diz respeito as baseadas em RNAs derivada das Máquinas de Boltzmann Restritas, do inglês Restricted Boltzmann Machines (RBM), principalmente na área de segurança de redes de computadores. A proposta deste trabalho visa explorar essas técnicas no campo de aprendizado não-supervisionado de características para detecção de conteúdo malicioso, especificamente na área de segurança de redes de computadores. Experimentos foram conduzidos usando técnicas baseadas em RBMs para o aprendizado não-supervisionado de características visando a detecção de conteúdo malicioso utilizando meta-heurísticas baseadas em algoritmos de otimização, voltado à detecção de spam em mensagens eletrônicas. Nos resultados alcançados por meio dos experimentos, observou-se, que com uma quantidade menor de características, podem ser obtidos resultados similares de acurácia quando comparados com as bases originais, com um menor tempo relacionado ao processo de treinamento, evidenciando que técnicas de aprendizado baseadas em RBMs são adequadas para o aprendizado de características no contexto deste trabalho. / The features learning has been one of the main challenges of techniques based on Artificial Neural Networks (ANN), especially when it comes to a large number of samples and features that define them. Restricted Boltzmann Machines (RBM) is a technique based on ANN, even little explored especially in security in computer networks. This study aims to explore these techniques in unsupervised features learning in order to detect malicious content, specifically in the security area in computer networks. Experiments were conducted using techniques based on RBMs for unsupervised features learning, which was aimed to identify malicious content, using meta-heuristics based on optimization algorithms, which was designed to detect spam in email messages. The experiment results demonstrated that fewer features can get similar results as the accuracy of the original bases with a lower training time, it was concluded that learning techniques based on RBMs are suitable for features learning in the context of this work.

<p>Conventional computing is based on the concept of bits which are classical entities that are either 0 or 1 and can be represented by stable magnets. The field of quantum computing relies on qubits which are a complex linear combination of 0 and 1. Recently, the concept of probabilistic computing with probabilistic (<em>p-</em>)bits was introduced where <em>p-</em>bits are robust classical entities that fluctuate between 0 and 1. <em>P-</em>bits can be naturally represented by low-barrier nanomagnets. Probabilistic computers (<em>p-</em>computers) based on <em>p-</em>bits are domain-based hardware accelerators for Monte Carlo algorithms that can efficiently address probabilistic tasks like sampling, optimization and machine learning. </p> <p>In this dissertation, starting from the intrinsic physics of nanomagnets, we show that a compact hardware implementation of a <em>p-</em>bit based on stochastic magnetic tunnel junctions (s-MTJs) can operate at high-speeds in the order of nanoseconds, a prediction that has recently received experimental support.</p> <p>We then move to the system level and illustrate by simulation and by experiment how multiple interconnected <em>p-</em>bits can be utilized to train a Boltzmann machine built with hardware <em>p-</em>bits. We observe that even non-ideal s-MTJs can be utilized for probabilistic computing when combined with hardware-aware learning.</p> <p>Finally, we show how to build a <em>p-</em>computer to accelerate a wide variety of problems ranging from optimization and sampling to quantum computing and machine learning. The common theme for all these applications is the underlying Monte Carlo and Markov chain Monte Carlo algorithms and their parallelism enabled by a unique <em>p-</em>computer architecture.</p>

Il est avant-tout question, dans ce mémoire, de la modélisation du timbre grâce à des algorithmes d'apprentissage machine. Plus précisément, nous avons essayé de construire un espace de timbre en extrayant des caractéristiques du son à l'aide de machines de Boltzmann convolutionnelles profondes. Nous présentons d'abord un survol de l'apprentissage machine, avec emphase sur les machines de Boltzmann convolutionelles ainsi que les modèles dont elles sont dérivées. Nous présentons aussi un aperçu de la littérature concernant les espaces de timbre, et mettons en évidence quelque-unes de leurs limitations, dont le nombre limité de sons utilisés pour les construire. Pour pallier à ce problème, nous avons mis en place un outil nous permettant de générer des sons à volonté. Le système utilise à sa base des plug-ins qu'on peut combiner et dont on peut changer les paramètres pour créer une gamme virtuellement infinie de sons. Nous l'utilisons pour créer une gigantesque base de donnée de timbres générés aléatoirement constituée de vrais instruments et d'instruments synthétiques. Nous entrainons ensuite les machines de Boltzmann convolutionnelles profondes de façon non-supervisée sur ces timbres, et utilisons l'espace des caractéristiques produites comme espace de timbre. L'espace de timbre ainsi obtenu est meilleur qu'un espace semblable construit à l'aide de MFCC. Il est meilleur dans le sens où la distance entre deux timbres dans cet espace est plus semblable à celle perçue par un humain. Cependant, nous sommes encore loin d'atteindre les mêmes capacités qu'un humain. Nous proposons d'ailleurs quelques pistes d'amélioration pour s'en approcher. / This thesis presents a novel way of modelling timbre using machine learning algorithms. More precisely, we have attempted to build a timbre space by extracting audio features using deep-convolutional Boltzmann machines. We first present an overview of machine learning with an emphasis on convolutional Boltzmann machines as well as models from which they are derived. We also present a summary of the literature relevant to timbre spaces and highlight their limitations, such as the small number of timbres used to build them. To address this problem, we have developed a sound generation tool that can generate as many sounds as we wish. At the system's core are plug-ins that are parameterizable and that we can combine to create a virtually infinite range of sounds. We use it to build a massive randomly generated timbre dataset that is made up of real and synthesized instruments. We then train deep-convolutional Boltzmann machines on those timbres in an unsupervised way and use the produced feature space as a timbre space. The timbre space we obtain is a better space than a similar space built using MFCCs. We consider it as better in the sense that the distance between two timbres in that space is more similar to the one perceived by a human listener. However, we are far from reaching the performance of a human. We finish by proposing possible improvements that could be tried to close our performance gap.

Self-healing systems promise operating cost reductions in large-scale computing environments through the automated detection of, and recovery from, faults. However, at present there appears to be little known empirical evidence comparing the different approaches, or demonstrations that such implementations reduce costs. This thesis compares previous and current self-healing approaches before demonstrating a new, unsupervised approach that combines artificial neural networks with performance tests to perform fault identification in an automated fashion, i.e. the correct and accurate determination of which computer features are associated with a given performance test failure. Several key contributions are made in the course of this research including an analysis of the different types of self-healing approaches based on their contextual use, a baseline for future comparisons between self-healing frameworks that use artificial neural networks, and a successful, automated fault identification in cloud infrastructure, and more specifically virtual machines. This approach uses three established machine learning techniques: Naïve Bayes, Baum-Welch, and Contrastive Divergence Learning. The latter demonstrates minimisation of human-interaction beyond previous implementations by producing a list in decreasing order of likelihood of potential root causes (i.e. fault hypotheses) which brings the state of the art one step closer toward fully self-healing systems. This thesis also examines the impact of that different types of faults have on their respective identification. This helps to understand the validity of the data being presented, and how the field is progressing, whilst examining the differences in impact to identification between emulated thread crashes and errant user changes – a contribution believed to be unique to this research. Lastly, future research avenues and conclusions in automated fault identification are described along with lessons learned throughout this endeavor. This includes the progression of artificial neural networks, how learning algorithms are being developed and understood, and possibilities for automatically generating feature locality data.

Il est généralement facile pour les humains de distinguer rapidement différents lieux en se basant uniquement sur leur aspect visuel. . Ces catégories sémantiques peuvent être utilisées comme information contextuelle favorisant la détection et la reconnaissance d'objets. Des travaux récents en reconnaissance des lieux visent à doter les robots de capacités similaires. Contrairement aux travaux classiques, portant sur la localisation et la cartographie, cette tâche est généralement traitée comme un problème d'apprentissage supervisé.La reconnaissance de lieux sémantiques - la capacité à reconnaître la catégorie sémantique à laquelle une scène appartient – peut être considérée comme une condition essentielle en robotique autonome. Un robot autonome doit en effet pouvoir apprendre facilement l'organisation sémantique de son environnement pour pouvoir fonctionner et interagir avec succès. Pour atteindre cet objectif, différentes méthodes ont déjà été proposées. Certaines sont basées sur l'identification des objets comme une condition préalable à la reconnaissance des scènes, et d'autres fondées sur une description directe des caractéristiques de la scène. Si nous faisons l'hypothèse que les objets sont plus faciles à reconnaître quand la scène dans laquelle ils apparaissent est bien identifiée, la deuxième approche semble plus appropriée. Elle est cependant fortement dépendante de la nature des descripteurs d'images utilisées qui sont généralement dérivés empiriquement a partir des observations générales sur le codage d'images.En opposition avec ces propositions, une autre approche de codage des images, basée sur un point de vue plus théorique, a émergé ces dernières années. Les modèles d'extraction de caractéristiques fondés sur le principe de la minimisation d'une fonction d'énergie en relation avec un modèle statistique génératif expliquant au mieux les données, ont abouti à l'apparition des Machines de Boltzmann Restreintes (Rectricted Boltzmann Machines : RBMs) capables de coder une image comme la superposition d'un nombre limité de caractéristiques extraites à partir d'un plus grand alphabet. Il a été montré que ce processus peut être répété dans une architecture plus profonde, conduisant à une représentation parcimonieuse et efficace des données initiales dans l'espace des caractéristiques. Le problème complexe de la classification dans l'espace de début est ainsi remplacé par un problème plus simple dans l'espace des caractéristiques.Dans ce travail, nous montrons que la reconnaissance sémantiques des lieux peut être réalisée en considérant des mini-images au lieu d'approches plus classiques de type ''sacs-de-mots'' et par l'utilisation de réseaux profonds pour le codage des images. Après avoir realisé un codage approprié, une régression softmax dans l'espace de projection est suffisante pour obtenir des résultats de classification prometteurs. A notre connaissance, cette approche n'a pas encore été proposée pour la reconnaissance de scène en robotique autonome.Nous avons comparé nos méthodes avec les algorithmes de l'état-de-l'art en utilisant une base de données standard de localisation de robot. Nous avons étudié l'influence des paramètres du système et comparé les différentes conditions sur la même base de données. Les expériences réalisées montrent que le modèle que nous proposons, tout en étant très simple, conduit à des résultats comparables à l'état-de-l'art sur une tâche de reconnaissance de lieux sémantiques. / Usually, human beings are able to quickly distinguish between different places, solely from their visual appearance. This is due to the fact that they can organize their space as composed of discrete units. These units, called ``semantic places'', are characterized by their spatial extend and their functional unity. Such a semantic category can thus be used as contextual information which fosters object detection and recognition. Recent works in semantic place recognition seek to endow the robot with similar capabilities. Contrary to classical localization and mapping works, this problem is usually addressed as a supervised learning problem. The question of semantic places recognition in robotics - the ability to recognize the semantic category of a place to which scene belongs to - is therefore a major requirement for the future of autonomous robotics. It is indeed required for an autonomous service robot to be able to recognize the environment in which it lives and to easily learn the organization of this environment in order to operate and interact successfully. To achieve that goal, different methods have been already proposed, some based on the identification of objects as a prerequisite to the recognition of the scenes, and some based on a direct description of the scene characteristics. If we make the hypothesis that objects are more easily recognized when the scene in which they appear is identified, the second approach seems more suitable. It is however strongly dependent on the nature of the image descriptors used, usually empirically derived from general considerations on image coding.Compared to these many proposals, another approach of image coding, based on a more theoretical point of view, has emerged the last few years. Energy-based models of feature extraction based on the principle of minimizing the energy of some function according to the quality of the reconstruction of the image has lead to the Restricted Boltzmann Machines (RBMs) able to code an image as the superposition of a limited number of features taken from a larger alphabet. It has also been shown that this process can be repeated in a deep architecture, leading to a sparse and efficient representation of the initial data in the feature space. A complex problem of classification in the input space is thus transformed into an easier one in the feature space. This approach has been successfully applied to the identification of tiny images from the 80 millions image database of the MIT. In the present work, we demonstrate that semantic place recognition can be achieved on the basis of tiny images instead of conventional Bag-of-Word (BoW) methods and on the use of Deep Belief Networks (DBNs) for image coding. We show that after appropriate coding a softmax regression in the projection space is sufficient to achieve promising classification results. To our knowledge, this approach has not yet been investigated for scene recognition in autonomous robotics. We compare our methods with the state-of-the-art algorithms using a standard database of robot localization. We study the influence of system parameters and compare different conditions on the same dataset. These experiments show that our proposed model, while being very simple, leads to state-of-the-art results on a semantic place recognition task.

La Màquina de Boltzmann (MB) és una xarxa neuronal estocàstica amb l'habilitat tant d'aprendre com d'extrapolar distribucions de probabilitat. Malgrat això, mai ha arribat a ser tant emprada com d'altres models de xarxa neuronal, com ara el perceptró, degut a la complexitat tan del procés de simulació com d'aprenentatge: les quantitats que es necessiten al llarg del procés d'aprenentatge són normalment estimades mitjançant tècniques Monte Carlo (MC), a través de l'algorisme del Temprat Simulat (SA). Això ha portat a una situació on la MB és més ben aviat considerada o bé com una extensió de la xarxa de Hopfield o bé com una implementació paral·lela del SA. Malgrat aquesta relativa manca d'èxit, la comunitat científica de l'àmbit de les xarxes neuronals ha mantingut un cert interès amb el model. Una de les extensions més rellevants a la MB és la Màquina de Boltzmann d'Alt Ordre (HOBM), on els pesos poden connectar més de dues neurones simultàniament. Encara que les capacitats d'aprenentatge d'aquest model han estat analitzades per d'altres autors, no s'ha pogut establir una equivalència formal entre els pesos d'una MB i els pesos d'alt ordre de la HOBM. En aquest treball s'analitza l'equivalència entre una MB i una HOBM a través de l'extensió del mètode conegut com a decimació. Decimació és una eina emprada a física estadística que es pot també aplicar a cert tipus de MB, obtenint expressions analítiques per a calcular les correlacions necessàries per a dur a terme el procés d'aprenentatge. Per tant, la decimació evita l'ús del costós algorisme del SA. Malgrat això, en la seva forma original, la decimació podia tan sols ser aplicada a cert tipus de topologies molt poc densament connectades. La extensió que es defineix en aquest treball permet calcular aquests valors independentment de la topologia de la xarxa neuronal; aquest model es basa en afegir prou pesos d'alt ordre a una MB estàndard com per a assegurar que les equacions de la decimació es poden solucionar. Després, s'estableix una equivalència directa entre els pesos d'un model d'alt ordre, la distribució de probabilitat que pot aprendre i les matrius de Hadamard: les propietats d'aquestes matrius es poden emprar per a calcular fàcilment els pesos del sistema. Finalment, es defineix una MB estàndard amb una topologia específica que permet entendre millor la equivalència exacta entre unitats ocultes de la MB i els pesos d'alt ordre de la HOBM. / La Máquina de Boltzmann (MB) es una red neuronal estocástica con la habilidad de aprender y extrapolar distribuciones de probabilidad. Sin embargo, nunca ha llegado a ser tan popular como otros modelos de redes neuronals como, por ejemplo, el perceptrón. Esto es debido a la complejidad tanto del proceso de simulación como de aprendizaje: las cantidades que se necesitan a lo largo del proceso de aprendizaje se estiman mediante el uso de técnicas Monte Carlo (MC), a través del algoritmo del Temple Simulado (SA). En definitiva, la MB es generalmente considerada o bien una extensión de la red de Hopfield o bien como una implementación paralela del algoritmo del SA. Pese a esta relativa falta de éxito, la comunidad científica del ámbito de las redes neuronales ha mantenido un cierto interés en el modelo. Una importante extensión es la Màquina de Boltzmann de Alto Orden (HOBM), en la que los pesos pueden conectar más de dos neuronas a la vez. Pese a que este modelo ha sido analizado en profundidad por otros autores, todavía no se ha descrito una equivalencia formal entre los pesos de una MB i las conexiones de alto orden de una HOBM. En este trabajo se ha analizado la equivalencia entre una MB i una HOBM, a través de la extensión del método conocido como decimación. La decimación es una herramienta propia de la física estadística que también puede ser aplicada a ciertos modelos de MB, obteniendo expresiones analíticas para el cálculo de las cantidades necesarias en el algoritmo de aprendizaje. Por lo tanto, la decimación evita el alto coste computacional asociado al al uso del costoso algoritmo del SA. Pese a esto, en su forma original la decimación tan solo podía ser aplicada a ciertas topologías de MB, distinguidas por ser poco densamente conectadas. La extensión definida en este trabajo permite calcular estos valores independientemente de la topología de la red neuronal: este modelo se basa en añadir suficientes pesos de alto orden a una MB estándar como para asegurar que las ecuaciones de decimación pueden solucionarse. Más adelante, se establece una equivalencia directa entre los pesos de un modelo de alto orden, la distribución de probabilidad que puede aprender y las matrices tipo Hadamard. Las propiedades de este tipo de matrices se pueden usar para calcular fácilmente los pesos del sistema. Finalmente, se define una BM estándar con una topología específica que permite entender mejor la equivalencia exacta entre neuronas ocultas en la MB y los pesos de alto orden de la HOBM. / The Boltzmann Machine (BM) is a stochastic neural network with the ability of both learning and extrapolating probability distributions. However, it has never been as widely used as other neural networks such as the perceptron, due to the complexity of both the learning and recalling algorithms, and to the high computational cost required in the learning process: the quantities that are needed at the learning stage are usually estimated by Monte Carlo (MC) through the Simulated Annealing (SA) algorithm. This has led to a situation where the BM is rather considered as an evolution of the Hopfield Neural Network or as a parallel implementation of the Simulated Annealing algorithm. Despite this relative lack of success, the neural network community has continued to progress in the analysis of the dynamics of the model. One remarkable extension is the High Order Boltzmann Machine (HOBM), where weights can connect more than two neurons at a time. Although the learning capabilities of this model have already been discussed by other authors, a formal equivalence between the weights in a standard BM and the high order weights in a HOBM has not yet been established. We analyze this latter equivalence between a second order BM and a HOBM by proposing an extension of the method known as decimation. Decimation is a common tool in statistical physics that may be applied to some kind of BMs, that can be used to obtain analytical expressions for the n-unit correlation elements required in the learning process. In this way, decimation avoids using the time consuming Simulated Annealing algorithm. However, as it was first conceived, it could only deal with sparsely connected neural networks. The extension that we define in this thesis allows computing the same quantities irrespective of the topology of the network. This method is based on adding enough high order weights to a standard BM to guarantee that the system can be solved. Next, we establish a direct equivalence between the weights of a HOBM model, the probability distribution to be learnt and Hadamard matrices. The properties of these matrices can be used to easily calculate the value of the weights of the system. Finally, we define a standard BM with a very specific topology that helps us better understand the exact equivalence between hidden units in a BM and high order weights in a HOBM.

Il est avant-tout question, dans ce mémoire, de la modélisation du timbre grâce à des algorithmes d'apprentissage machine. Plus précisément, nous avons essayé de construire un espace de timbre en extrayant des caractéristiques du son à l'aide de machines de Boltzmann convolutionnelles profondes. Nous présentons d'abord un survol de l'apprentissage machine, avec emphase sur les machines de Boltzmann convolutionelles ainsi que les modèles dont elles sont dérivées. Nous présentons aussi un aperçu de la littérature concernant les espaces de timbre, et mettons en évidence quelque-unes de leurs limitations, dont le nombre limité de sons utilisés pour les construire. Pour pallier à ce problème, nous avons mis en place un outil nous permettant de générer des sons à volonté. Le système utilise à sa base des plug-ins qu'on peut combiner et dont on peut changer les paramètres pour créer une gamme virtuellement infinie de sons. Nous l'utilisons pour créer une gigantesque base de donnée de timbres générés aléatoirement constituée de vrais instruments et d'instruments synthétiques. Nous entrainons ensuite les machines de Boltzmann convolutionnelles profondes de façon non-supervisée sur ces timbres, et utilisons l'espace des caractéristiques produites comme espace de timbre. L'espace de timbre ainsi obtenu est meilleur qu'un espace semblable construit à l'aide de MFCC. Il est meilleur dans le sens où la distance entre deux timbres dans cet espace est plus semblable à celle perçue par un humain. Cependant, nous sommes encore loin d'atteindre les mêmes capacités qu'un humain. Nous proposons d'ailleurs quelques pistes d'amélioration pour s'en approcher. / This thesis presents a novel way of modelling timbre using machine learning algorithms. More precisely, we have attempted to build a timbre space by extracting audio features using deep-convolutional Boltzmann machines. We first present an overview of machine learning with an emphasis on convolutional Boltzmann machines as well as models from which they are derived. We also present a summary of the literature relevant to timbre spaces and highlight their limitations, such as the small number of timbres used to build them. To address this problem, we have developed a sound generation tool that can generate as many sounds as we wish. At the system's core are plug-ins that are parameterizable and that we can combine to create a virtually infinite range of sounds. We use it to build a massive randomly generated timbre dataset that is made up of real and synthesized instruments. We then train deep-convolutional Boltzmann machines on those timbres in an unsupervised way and use the produced feature space as a timbre space. The timbre space we obtain is a better space than a similar space built using MFCCs. We consider it as better in the sense that the distance between two timbres in that space is more similar to the one perceived by a human listener. However, we are far from reaching the performance of a human. We finish by proposing possible improvements that could be tried to close our performance gap.

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L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires. / Despite the current widescale success of deep learning in training large scale hierarchical models through supervised learning, unsupervised learning promises to play a crucial role towards solving general Artificial Intelligence, where agents are expected to learn with little to no supervision. The work presented in this thesis tackles the problem of unsupervised feature learning and density estimation, using a model family at the heart of the deep learning phenomenon: the Boltzmann Machine (BM). We present contributions in the areas of sampling, partition function estimation, optimization and the more general topic of invariant feature learning. With regards to sampling, we present a novel adaptive parallel tempering method which dynamically adjusts the temperatures under simulation to maintain good mixing in the presence of complex multi-modal distributions. When used in the context of stochastic maximum likelihood (SML) training, the improved ergodicity of our sampler translates to increased robustness to learning rates and faster per epoch convergence. Though our application is limited to BM, our method is general and is applicable to sampling from arbitrary probabilistic models using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) techniques. While SML gradients can be estimated via sampling, computing data likelihoods requires an estimate of the partition function. Contrary to previous approaches which consider the model as a black box, we provide an efficient algorithm which instead tracks the change in the log partition function incurred by successive parameter updates. Our algorithm frames this estimation problem as one of filtering performed over a 2D lattice, with one dimension representing time and the other temperature. On the topic of optimization, our thesis presents a novel algorithm for applying the natural gradient to large scale Boltzmann Machines. Up until now, its application had been constrained by the computational and memory requirements of computing the Fisher Information Matrix (FIM), which is square in the number of parameters. The Metric-Free Natural Gradient algorithm (MFNG) avoids computing the FIM altogether by combining a linear solver with an efficient matrix-vector operation. The method shows promise in that the resulting updates yield faster per-epoch convergence, despite being slower in terms of wall clock time. Finally, we explore how invariant features can be learnt through modifications to the BM energy function. We study the problem in the context of the spike & slab Restricted Boltzmann Machine (ssRBM), which we extend to handle both binary and sparse input distributions. By associating each spike with several slab variables, latent variables can be made invariant to a rich, high dimensional subspace resulting in increased invariance in the learnt representation. When using the expected model posterior as input to a classifier, increased invariance translates to improved classification accuracy in the low-label data regime. We conclude by showing a connection between invariance and the more powerful concept of disentangling factors of variation. While invariance can be achieved by pooling over subspaces, disentangling can be achieved by learning multiple complementary views of the same subspace. In particular, we show how this can be achieved using third-order BMs featuring multiplicative interactions between pairs of random variables.

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires. / Despite the current widescale success of deep learning in training large scale hierarchical models through supervised learning, unsupervised learning promises to play a crucial role towards solving general Artificial Intelligence, where agents are expected to learn with little to no supervision. The work presented in this thesis tackles the problem of unsupervised feature learning and density estimation, using a model family at the heart of the deep learning phenomenon: the Boltzmann Machine (BM). We present contributions in the areas of sampling, partition function estimation, optimization and the more general topic of invariant feature learning. With regards to sampling, we present a novel adaptive parallel tempering method which dynamically adjusts the temperatures under simulation to maintain good mixing in the presence of complex multi-modal distributions. When used in the context of stochastic maximum likelihood (SML) training, the improved ergodicity of our sampler translates to increased robustness to learning rates and faster per epoch convergence. Though our application is limited to BM, our method is general and is applicable to sampling from arbitrary probabilistic models using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) techniques. While SML gradients can be estimated via sampling, computing data likelihoods requires an estimate of the partition function. Contrary to previous approaches which consider the model as a black box, we provide an efficient algorithm which instead tracks the change in the log partition function incurred by successive parameter updates. Our algorithm frames this estimation problem as one of filtering performed over a 2D lattice, with one dimension representing time and the other temperature. On the topic of optimization, our thesis presents a novel algorithm for applying the natural gradient to large scale Boltzmann Machines. Up until now, its application had been constrained by the computational and memory requirements of computing the Fisher Information Matrix (FIM), which is square in the number of parameters. The Metric-Free Natural Gradient algorithm (MFNG) avoids computing the FIM altogether by combining a linear solver with an efficient matrix-vector operation. The method shows promise in that the resulting updates yield faster per-epoch convergence, despite being slower in terms of wall clock time. Finally, we explore how invariant features can be learnt through modifications to the BM energy function. We study the problem in the context of the spike & slab Restricted Boltzmann Machine (ssRBM), which we extend to handle both binary and sparse input distributions. By associating each spike with several slab variables, latent variables can be made invariant to a rich, high dimensional subspace resulting in increased invariance in the learnt representation. When using the expected model posterior as input to a classifier, increased invariance translates to improved classification accuracy in the low-label data regime. We conclude by showing a connection between invariance and the more powerful concept of disentangling factors of variation. While invariance can be achieved by pooling over subspaces, disentangling can be achieved by learning multiple complementary views of the same subspace. In particular, we show how this can be achieved using third-order BMs featuring multiplicative interactions between pairs of random variables.