Dans cette thèse, nous nous intéressons à la caractérisation de grandes collections de documents (en utilisant les liens entre ces derniers) afin de faciliter leur utilisation et leur exploitation par des humains ou par des outils informatiques. Dans un premier temps, nous avons abordé la problématique du calcul de centralité dans les graphes de documents. Nous avons décrit les principaux algorithmes de calcul de centralité existants en mettant l'accent sur le problème TKC (Tightly Knit Community) dont souffre la plupart des mesures de centralité récentes. Ensuite, nous avons proposé trois nouveaux algorithmes de calcul de centralité (MHITS, NHITS et DocRank) permettant d'affronter le phénomène TKC. Les différents algorithmes proposés ont été évalués et comparés aux approches existantes. Des critères d'évaluation ont notamment été proposés pour mesurer l'effet TKC. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au problème de la classification non supervisée de documents. Plus précisément, nous avons envisagé ce regroupement comme une tâche d'identification de structures de communautés (ISC) dans les graphes de documents. Nous avons décrit les principales approches d'ISC existantes en distinguant les approches basées sur un modèle génératif des approches algorithmiques ou classiques. Puis, nous avons proposé un modèle génératif (SPCE) basé sur le lissage et sur une initialisation appropriée pour l'ISC dans des graphes de faible densité. Le modèle SPCE a été évalué et validé en le comparant à d'autres approches d'ISC. Enfin, nous avons montré que le modèle SPCE pouvait être étendu pour prendre en compte simultanément les liens et les contenus des documents.

Ce mémoire synthétise les activités de recherche que j'ai menées de 2005 à 2012, sur la thématique de l'apprentissage statistique des données complexes, abordée par le biais de modèles probabilistes paramétriques génératifs. Plusieurs types de données complexes sont considérées. Les données issues de populations différentes ont été abordées en proposant des modèles de lien paramétriques entre populations, permettant d'adapter les modèles statistiques d'une population vers l'autre, en évitant une lourde collecte de nouvelles données. Les données de rang, définissant un classement d'objets selon un ordre de préférence, les données ordinales, qui sont des données qualitatives ayant des modalités ordonnées, et les données fonctionnelles, où l'observation statistique consiste en une ou plusieurs courbes, ont également été étudies. Pour ces trois types de données, des modèles génératifs probabilistes ont été définis et utilisés en classification automatique de données multivariées. Enfin les données de grande dimension, que l'on rencontre lorsque le nombre de variables du problème dépasse celui des observations, ont été étudiées dans un cadre de régression. Deux approches, fruits de deux thèses de doctorat que je co-encadre, sont proposés: l'une utilisant des algorithmes d'optimisation combinatoire pour explorer de façon efficace l'espace des variables, et l'autre définissant un modèle de régression regroupant ensemble les variables ayant un effet similaire.

Aujourd'hui, les modèles computationnels de l'apprentissage et de la prise de décision chez l'homme se sont raffinés et complexifiés pour prendre la forme de modèles génératifs des données psychophysiologiques de plus en plus réalistes d'un point de vue neurobiologique et biophysique. Dans le même temps, le nouveau champ de recherche des interfaces cerveau-machine (ICM) s'est développé de manière exponentielle. L'objectif principal de cette thèse était d'explorer comment le paradigme de l'électrophysiologie temps-réel peut contribuer à élucider les processus d'apprentissage et de prise de décision perceptive chez l'homme. Au niveau expérimental, j'ai étudié les décisions perceptives somatosensorielles grâce à des tâches de discrimination de fréquence tactile. En particulier, j'ai montré comment un contexte sensoriel implicite peut influencer nos décisions. Grâce à la magnétoencéphalographie (MEG), j'ai pu étudier les mécanismes neuronaux qui sous-tendent cette adaptation perceptive. L'ensemble de ces résultats renforce l'hypothèse de la construction implicite d'un a priori ou d'une référence interne au cours de l'expérience. Aux niveaux théoriques et méthodologiques, j'ai proposé une vue générique de la façon dont l'électrophysiologie temps-réel pourrait être utilisée pour optimiser les tests d'hypothèses, en adaptant le dessin expérimental en ligne. J'ai pu fournir une première validation de cette démarche adaptative pour maximiser l'efficacité du dessin expérimental au niveau individuel. Ce travail révèle des perspectives en neurosciences fondamentales et cliniques ainsi que pour les ICM

La disponibilité de quantités énormes de données a changé le rôle de la physique par rapport aux autres disciplines. Dans cette thèse, je vais explorer les innovations introduites dans la biologie moléculaire grâce à des approches de physique statistique. Au cours des 20 dernières années, la taille des bases de données sur le génome a augmenté de façon exponentielle : l'exploitation des données brutes, dans le champ d'application de l'extraction d'informations, est donc devenu un sujet majeur dans la physique statistique. Après le succès dans la prédiction de la structure des protéines, des résultats étonnamment bons ont été finalement obtenus aussi pour l'ARN. Cependant, des études récentes ont révélé que, même si les bases de données sont de plus en plus grandes, l'inférence est souvent effectuée dans le régime de sous-échantillonnage et de nouveaux systèmes informatiques sont nécessaires afin de surmonter cette limitation intrinsèque des données réelles. Cette thèse va discuter des méthodes d'inférence et leur application à des prédictions de la structure de l'ARN. Nous allons comprendre certaines approches heuristiques qui ont été appliquées avec succès dans les dernières années, même si théoriquement mal comprises. La dernière partie du travail se concentrera sur le développement d'un outil pour l'inférence de modèles génératifs, en espérant qu'il ouvrira la voie à de nouvelles applications. / The availability of huge amounts of data has changed the role of physics with respect to other disciplines. Within this dissertation I will explore the innovations introduced in molecular biology thanks to statistical physics approaches. In the last 20 years the size of genome databases has exponentially increased, therefore the exploitation of raw data, in the scope of extracting information, has become a major topic in statistical physics. After the success in protein structure prediction, surprising results have been finally achieved also in the related field of RNA structure characterisation. However, recent studies have revealed that, even if databases are growing, inference is often performed in the under sampling regime and new computational schemes are needed in order to overcome this intrinsic limitation of real data. This dissertation will discuss inference methods and their application to RNA structure prediction. We will discuss some heuristic approaches that have been successfully applied in the past years, even if poorly theoretically understood. The last part of the work will focus on the development of a tool for the inference of generative models, hoping it will pave the way towards novel applications.

Des avancées significatives sur les réseaux de neurones profonds ont récemment permis le développement de technologies importantes comme les voitures autonomes et les assistants personnels intelligents basés sur la commande vocale. La plupart des succès en apprentissage profond concernent la prédiction, alors que les percées initiales viennent des modèles génératifs. Actuellement, même s'il existe des outils puissants dans la littérature des modèles génératifs basés sur les réseaux profonds, ces techniques sont essentiellement utilisées pour la prédiction ou pour générer des objets connus (i.e., des images de haute qualité qui appartiennent à des classes connues) : un objet généré qui est à priori inconnu est considéré comme une erreur (Salimans et al., 2016) ou comme un objet fallacieux (Bengio et al., 2013b). En d'autres termes, quand la prédiction est considérée comme le seul objectif possible, la nouveauté est vue comme une erreur - que les chercheurs ont essayé d'éliminer au maximum. Cette thèse défends le point de vue que, plutôt que d'éliminer ces nouveautés, on devrait les étudier et étudier le potentiel génératif des réseaux neuronaux pour créer de la nouveauté utile - particulièrement sachant l'importance économique et sociétale de la création d'objets nouveaux dans les sociétés contemporaines. Cette thèse a pour objectif d'étudier la génération de la nouveauté et sa relation avec les modèles de connaissance produits par les réseaux neurones profonds génératifs. Notre première contribution est la démonstration de l'importance des représentations et leur impact sur le type de nouveautés qui peuvent être générées : une conséquence clé est qu'un agent créatif a besoin de re-représenter les objets connus et utiliser cette représentation pour générer des objets nouveaux. Ensuite, on démontre que les fonctions objectives traditionnelles utilisées dans la théorie de l'apprentissage statistique, comme le maximum de vraisemblance, ne sont pas nécessairement les plus adaptées pour étudier la génération de nouveauté. On propose plusieurs alternatives à un niveau conceptuel. Un deuxième résultat clé est la confirmation que les modèles actuels - qui utilisent les fonctions objectives traditionnelles - peuvent en effet générer des objets inconnus. Cela montre que même si les fonctions objectives comme le maximum de vraisemblance s'efforcent à éliminer la nouveauté, les implémentations en pratique échouent à le faire. A travers une série d'expérimentations, on étudie le comportement de ces modèles ainsi que les objets qu'ils génèrent. En particulier, on propose une nouvelle tâche et des métriques pour la sélection de bons modèles génératifs pour la génération de la nouveauté. Finalement, la thèse conclue avec une série d'expérimentations qui clarifie les caractéristiques des modèles qui génèrent de la nouveauté. Les expériences montrent que la sparsité, le niveaux du niveau de corruption et la restriction de la capacité des modèles tuent la nouveauté et que les modèles qui arrivent à reconnaître des objets nouveaux arrivent généralement aussi à générer de la nouveauté. / In recent years, significant advances made in deep neural networks enabled the creation of groundbreaking technologies such as self-driving cars and voice-enabled personal assistants. Almost all successes of deep neural networks are about prediction, whereas the initial breakthroughs came from generative models. Today, although we have very powerful deep generative modeling techniques, these techniques are essentially being used for prediction or for generating known objects (i.e., good quality images of known classes): any generated object that is a priori unknown is considered as a failure mode (Salimans et al., 2016) or as spurious (Bengio et al., 2013b). In other words, when prediction seems to be the only possible objective, novelty is seen as an error that researchers have been trying hard to eliminate. This thesis defends the point of view that, instead of trying to eliminate these novelties, we should study them and the generative potential of deep nets to create useful novelty, especially given the economic and societal importance of creating new objects in contemporary societies. The thesis sets out to study novelty generation in relationship with data-driven knowledge models produced by deep generative neural networks. Our first key contribution is the clarification of the importance of representations and their impact on the kind of novelties that can be generated: a key consequence is that a creative agent might need to rerepresent known objects to access various kinds of novelty. We then demonstrate that traditional objective functions of statistical learning theory, such as maximum likelihood, are not necessarily the best theoretical framework for studying novelty generation. We propose several other alternatives at the conceptual level. A second key result is the confirmation that current models, with traditional objective functions, can indeed generate unknown objects. This also shows that even though objectives like maximum likelihood are designed to eliminate novelty, practical implementations do generate novelty. Through a series of experiments, we study the behavior of these models and the novelty they generate. In particular, we propose a new task setup and metrics for selecting good generative models. Finally, the thesis concludes with a series of experiments clarifying the characteristics of models that can exhibit novelty. Experiments show that sparsity, noise level, and restricting the capacity of the net eliminates novelty and that models that are better at recognizing novelty are also good at generating novelty.

Les réseaux de neurones actuels obtiennent des résultats de pointe dans une gamme de domaines problématiques difficiles. Avec suffisamment de données et de calculs, les réseaux de neurones actuels peuvent obtenir des résultats de niveau humain sur presque toutes les tâches. En ce sens, nous avons pu former des spécialistes capables d'effectuer très bien une tâche particulière, que ce soit le jeu de Go, jouer à des jeux Atari, manipuler le cube Rubik, mettre des légendes sur des images ou dessiner des images avec des légendes. Le prochain défi pour l'IA est de concevoir des méthodes pour former des généralistes qui, lorsqu'ils sont exposés à plusieurs tâches pendant l'entraînement, peuvent s'adapter rapidement à de nouvelles tâches inconnues. Sans aucune hypothèse sur la distribution génératrice de données, il peut ne pas être possible d'obtenir une meilleure généralisation et une meilleure adaptation à de nouvelles tâches (inconnues). Les réseaux de neurones actuels obtiennent des résultats de pointe dans une gamme de domaines problématiques difficiles. Une possibilité fascinante est que l'intelligence humaine et animale puisse être expliquée par quelques principes, plutôt qu'une encyclopédie de faits. Si tel était le cas, nous pourrions plus facilement à la fois comprendre notre propre intelligence et construire des machines intelligentes. Tout comme en physique, les principes eux-mêmes ne suffiraient pas à prédire le comportement de systèmes complexes comme le cerveau, et des calculs importants pourraient être nécessaires pour simuler l'intelligence humaine. De plus, nous savons que les vrais cerveaux intègrent des connaissances a priori détaillées spécifiques à une tâche qui ne pourraient pas tenir dans une courte liste de principes simples. Nous pensons donc que cette courte liste explique plutôt la capacité des cerveaux à apprendre et à s'adapter efficacement à de nouveaux environnements, ce qui est une grande partie de ce dont nous avons besoin pour l'IA. Si cette hypothèse de simplicité des principes était correcte, cela suggérerait que l'étude du type de biais inductifs (une autre façon de penser aux principes de conception et aux a priori, dans le cas des systèmes d'apprentissage) que les humains et les animaux exploitent pourrait aider à la fois à clarifier ces principes et à fournir source d'inspiration pour la recherche en IA. L'apprentissage en profondeur exploite déjà plusieurs biais inductifs clés, et mon travail envisage une liste plus large, en se concentrant sur ceux qui concernent principalement le traitement cognitif de niveau supérieur. Mon travail se concentre sur la conception de tels modèles en y incorporant des hypothèses fortes mais générales (biais inductifs) qui permettent un raisonnement de haut niveau sur la structure du monde. Ce programme de recherche est à la fois ambitieux et pratique, produisant des algorithmes concrets ainsi qu'une vision cohérente pour une recherche à long terme vers la généralisation dans un monde complexe et changeant. / Current neural networks achieve state-of-the-art results across a range of challenging problem domains. Given enough data, and computation, current neural networks can achieve human-level results on mostly any task. In the sense, that we have been able to train \textit{specialists} that can perform a particular task really well whether it's the game of GO, playing Atari games, Rubik's cube manipulation, image caption or drawing images given captions. The next challenge for AI is to devise methods to train \textit{generalists} that when exposed to multiple tasks during training can quickly adapt to new unknown tasks. Without any assumptions about the data generating distribution it may not be possible to achieve better generalization and adaption to new (unknown) tasks. A fascinating possibility is that human and animal intelligence could be explained by a few principles (rather than an encyclopedia). If that was the case, we could more easily both understand our own intelligence and build intelligent machines. Just like in physics, the principles themselves would not be sufficient to predict the behavior of complex systems like brains, and substantial computation might be needed to simulate human intelligence. In addition, we know that real brains incorporate some detailed task-specific a priori knowledge which could not fit in a short list of simple principles. So we think of that short list rather as explaining the ability of brains to learn and adapt efficiently to new environments, which is a great part of what we need for AI. If that simplicity of principles hypothesis was correct it would suggest that studying the kind of inductive biases (another way to think about principles of design and priors, in the case of learning systems) that humans and animals exploit could help both clarify these principles and provide inspiration for AI research. Deep learning already exploits several key inductive biases, and my work considers a larger list, focusing on those which concern mostly higher-level cognitive processing. My work focuses on designing such models by incorporating in them strong but general assumptions (inductive biases) that enable high-level reasoning about the structure of the world. This research program is both ambitious and practical, yielding concrete algorithms as well as a cohesive vision for long-term research towards generalization in a complex and changing world.

La technique de tracé de chemins est la méthode Monte Carlo la plus populaire en infographie pour résoudre le problème de l'illumination globale. Une image produite par tracé de chemins est beaucoup plus photoréaliste que les méthodes standard tel que le rendu par rasterisation et même le lancer de rayons. Mais le tracé de chemins est coûteux et converge lentement, produisant une image bruitée lorsqu'elle n'est pas convergée. De nombreuses méthodes visant à accélérer le tracé de chemins ont été développées, mais chacune présente ses propres défauts et contraintes. Dans les dernières avancées en apprentissage profond, en particulier dans le domaine des modèles génératifs conditionnels, il a été démontré que ces modèles sont capables de bien apprendre, modéliser et tirer des échantillons à partir de distributions complexes. Comme le tracé de chemins dépend également d'un tel processus sur une distribution complexe, nous examinons les similarités entre ces deux problèmes et modélisons le processus de tracé de chemins comme un processus génératif. Ce processus peut ensuite être utilisé pour construire un estimateur efficace avec un réseau neuronal afin d'accélérer le temps de rendu sans trop d'hypothèses sur la scène. Nous montrons que notre estimateur neuronal (NPPP), utilisé avec le tracé de chemins, peut améliorer les temps de rendu d'une manière considérable sans beaucoup compromettre sur la qualité du rendu. Nous montrons également que l'estimateur est très flexible et permet à un utilisateur de contrôler et de prioriser la qualité ou le temps de rendu, sans autre modification ou entraînement du réseau neuronal. / Path tracing is one of the most popular Monte Carlo methods used in computer graphics to solve the problem of global illumination. A path traced image is much more photorealistic compared to standard rendering methods such as rasterization and even ray tracing. Unfortunately, path tracing is expensive to compute and slow to converge, resulting in noisy images when unconverged. Many methods aimed to accelerate path tracing have been developed, but each has its own downsides and limitiations. Recent advances in deep learning, especially with conditional generative models, have shown to be very capable at learning, modeling, and sampling from complex distributions. As path tracing is also dependent on sampling from complex distributions, we investigate the similarities between the two problems and model the path tracing process itself as a conditional generative process. It can then be used to build an efficient neural estimator that allows us to accelerate rendering time with as few assumptions as possible. We show that our neural estimator (NPPP) used along with path tracing can improve rendering time by a considerable amount without compromising much in rendering quality. The estimator is also shown to be very flexible and allows a user to control and prioritize quality or rendering time, without any further training or modifications to the neural network.

Nous pouvons trouver des propriétés structurelles similaires dans presque tous les réseaux trophiques (ensemble d’interactions de prédation). L'existence de ces invariants suggère qu’il serait possible, pour chaque réseau trophique, de déterminer des paramètres généraux qui décrivent sa structure. Il serait également possible de faire le cheminement inverse, soit à partir de paramètres généraux, d’obtenir une structure de réseau qui respecte ces invariants. C’est ainsi que fonctionnent les modèles génératifs, qui prédisent une structure à partir de paramètres généraux. Cependant, les modèles génératifs peuvent générer des structures de réseau qui diffèrent des données empiriques, parce qu'ils intègrent différentes hypothèses sur les mécanismes qui façonnent les réseaux trophiques, et donc sur les paramètres généraux qui doivent être utilisés. Dans ce mémoire, j’étudie l'effet de la pondération de la stabilité à l'aide du paramètre sigma (écart-type maximum des forces d’interactions qu’il ne faut pas dépasser si l’on veut que le réseau d’espèces reste stable) sur la distribution des propriétés de réseau obtenues par différents modèles génératifs. En effet, en donnant une plus grande importance aux réseaux dont la structure est a priori stable (potentiellement plus proche de celles retrouvées dans la nature) on pourrait corriger les prédictions des modèles en rapprochant leurs résultats des données empiriques. Le principe de correction fait ici référence à l’utilisation des probabilités par les modèles génératifs : la correction est la modification de ces probabilités en faveur des réseaux stables afin qu’ils soient sur-représentés dans les données générées. Notre hypothèse est donc que la pondération de la stabilité pourrait améliorer les prédictions des modèles génératifs. Les modèles génératifs étudiés ici sont les modèles de cascade, de niche et de hiérarchie emboîtée. Notre principale conclusion est que, de manière contre-intuitive, la pondération de la stabilité n’améliore pas la différence entre les structures de réseaux empiriques et celles des réseaux générés par les mo-dèles. Nos résultats montrent que pour les réseaux étudiés, la plus grande différence entre les réseaux trophiques modélisés par les modèles génératifs et les réseaux empiriques est la nature du modèle et non la correction par la pondération de la stabilité. Cela suggère que ces modèles prédisent la structure à partir d’un nombre de paramètres insuffisants, où de paramètres ne représentant qu’une fraction de la structure du réseau. Le modèle de niche présente la prédiction la plus proche des données empiriques, mais seulement pour les réseaux comptant jusqu'à 20 espèces. Cette étude souligne donc le long chemin qu'il nous reste à parcourir avant de pouvoir représenter les réseaux trophiques de façon réaliste à partir de modèles génératifs simples. / We can find similar structural properties in almost every food web. The existence of these invariants suggests that it could be possible for each food web to determine general parameters. The reverse case also works, i.e. from general parameters, to obtain a network structure. This is how generative models work, they predict a structure from general parameters. However, the network structures obtained from generative models differ from empirical data, because they incorporate different assumptions about the mechanisms that shape food webs and thus the gen-eral parameters used. In this study, I’ll investigate the effect of weighting stability using the sigma parameter (maximum standard deviation of interaction forces that should not be exceeded if the species network is to remain stable). I’m studying its effect on the distribution of network prop-erties obtained by different generative models. Indeed, by giving greater importance to networks whose structure is stable, one could correct the predictions of the models by bringing their results closer to the empirical data. The correction is the modification of these probabilities in favor of stable networks so that they are more easily chosen by the model. Our hypothesis is therefore that weighting stability could improve the predictions of the cascade, niche and nested hierarchy models. Our main conclusion is that stability weighting does not improve the difference between empirical and model-generated network structures. Our results show that for the networks stud-ied, the biggest difference between food webs modeled by generative models and empirical net-works is the nature of the model and not the correction by stability weighting. This suggests that these models predict structure from an insufficient number of parameters or from parameters that represent only a fraction of the network structure. The niche model shows the closest pre-diction to the empirical data, but only for networks with up to 20 species. This study highlights the long way to go before we can realistically represent food webs using generative models.

This thesis explores the nature of generalization in deep learning and several settings in which it fails. In particular, deep neural networks can struggle to generalize in settings with limited data, insufficient supervision, challenging long-range dependencies, or complex structure and subsystems. This thesis explores the nature of these challenges for generalization in deep learning and presents several algorithms which seek to address these challenges. In the first article, we show how training with interpolated hidden states can improve generalization and calibration in deep learning. We also introduce a theory showing how our algorithm, which we call Manifold Mixup, leads to a flattening of the per-class hidden representations, which can be seen as a compression of the information in the hidden states. The second article is related to the first and shows how interpolated examples can be used for semi-supervised learning. In addition to interpolating the input examples, the model’s interpolated predictions are used as targets for these examples. This improves results on standard benchmarks as well as classic 2D toy problems for semi-supervised learning. The third article studies how a recurrent neural network can be divided into multiple modules with different parameters and well separated hidden states, as well as a competition mechanism restricting updating of the hidden states to a subset of the most relevant modules on a specific time-step. This improves systematic generalization when the pattern distribution is changed between the training and evaluation phases. It also improves generalization in reinforcement learning. In the fourth article, we show that attention can be used to control the flow of information between successive layers in deep networks. This allows each layer to only process the subset of the previously computed layers’ outputs which are most relevant. This improves generalization on relational reasoning tasks as well as standard benchmark classification tasks. / Cette thèse explore la nature de la généralisation dans l’apprentissage en profondeur et plusieurs contextes dans lesquels elle échoue. En particulier, les réseaux de neurones profonds peuvent avoir du mal à se généraliser dans des contextes avec des données limitées, une supervision insuffisante, des dépendances à longue portée difficiles ou une structure et des sous-systèmes complexes. Cette thèse explore la nature de ces défis pour la généralisation en apprentissage profond et présente plusieurs algorithmes qui cherchent à relever ces défis. Dans le premier article, nous montrons comment l’entraînement avec des états cachés interpolés peut améliorer la généralisation et la calibration en apprentissage profond. Nous introduisons également une théorie montrant comment notre algorithme, que nous appelons Manifold Mixup, conduit à un aplatissement des représentations cachées par classe, ce qui peut être vu comme une compression de l’information dans les états cachés. Le deuxième article est lié au premier et montre comment des exemples interpolés peuvent être utilisés pour un apprentissage semi-supervisé. Outre l’interpolation des exemples d’entrée, les prédictions interpolées du modèle sont utilisées comme cibles pour ces exemples. Cela améliore les résultats sur les benchmarks standard ainsi que sur les problèmes de jouets 2D classiques pour l’apprentissage semi-supervisé. Le troisième article étudie comment un réseau de neurones récurrent peut être divisé en plusieurs modules avec des paramètres différents et des états cachés bien séparés, ainsi qu’un mécanisme de concurrence limitant la mise à jour des états cachés à un sous-ensemble des modules les plus pertinents sur un pas de temps spécifique. . Cela améliore la généralisation systématique lorsque la distribution des modèles est modifiée entre les phases de entraînement et d’évaluation. Il améliore également la généralisation dans l’apprentissage par renforcement. Dans le quatrième article, nous montrons que l’attention peut être utilisée pour contrôler le flux d’informations entre les couches successives des réseaux profonds. Cela permet à chaque couche de ne traiter que le sous-ensemble des sorties des couches précédemment calculées qui sont les plus pertinentes. Cela améliore la généralisation sur les tâches de raisonnement relationnel ainsi que sur les tâches de classification de référence standard.

Les modèles génératifs ont révolutionné le domaine de l'intelligence artificielle (IA). En particulier, des travaux récents sur les réseaux antagonistes génératifs (GAN) et les modèles de diffusion latente (LDM) ont montré des capacités de géneration d'image photoréaliste. Au moment de la rédaction de cette thèse, ces modèles sont sur le point de générer des données qui sont presque impossibles à distinguer de la réalité perçue par les humains. L'objectif de cette thèse est double : nous aimerions d'abord comprendre la dynamique d'apprentissage et d'inférence sous-jacente de ces modèles, puis utiliser ces connaissances pour améliorer et stabiliser leur entraînement, ainsi que pour améliorer l'utilité des données générées dans les applications en aval. Ce faisant, cette thèse propose trois articles visant à proposer une entraînement plus stable et une génération de données efficace. Dans le premier article, nous nous concentrons sur l’instabilité inhérente à la dynamique d’entraînement des GAN et d’autres classes de jeux min-max. Nous introduisons une technique efficace pour stabiliser l'entraînement en incorporant un coefficient négatif pour la méthode du moment, qui est une technique plutôt non conventionnelle de l'optimisation classique à objectif unique. Nous étudions et validons théoriquement et empiriquement l’effet du momentum négatif sur les jeux simples et les GAN saturants. Dans le deuxième article, notre recherche adopte une nouvelle perspective en modélisant les jeux min-max et les GAN, en tant que systèmes physiques. Ce changement conceptuel nous permet de mieux comprendre les dynamiques d'entrainement dans ces jeux et de modifier leur dynamique. En utilisant le principe de moindre action en physique, nous introduisons l'optimiseur LEAD spécialement conçu pour les jeux min-max. Nous explorons LEAD à la fois théoriquement et empiriquement, démontrant ses performances non seulement dans des jeux simplifiés mais également dans le contexte des GAN. Cette approche offre une nouvelle perspective physique sur l’optimisation des jeux, grâce à laquelle nous pouvons améliorer la dynamique d'entraînement des réseaux antagonistes génératifs. Le troisième article adopte une approche différente en se concentrant sur l'application pratique des modèles génératifs, en particulier des modèles de diffusion, pour applications en aval. Dans ce travail, nous exploitons le processus d’échantillonnage itératif unique des modèles de diffusion. Notre approche consiste a introduire une boucle de rétroaction qui utilise un classifieur pour changer le process génératif. Ce processus d'échantillonnage guidé par rétroaction permet la génération d'échantillons de données utiles et rares spécifiquement adaptés au classificateur concerné. Nos expériences démontrent que cette approche s'avère utile pour résoudre des tâches de classification déséquilibrées, en obtenant de nouveaux résultats de pointe tout en étant deux fois plus efficaces en termes de synthèse de données par rapport aux travaux précédents. Dans l'ensemble, ces trois articles visent à comprendre la dynamique d'entraînement et d'inférence des modèles génératifs et à utiliser leurs données synthétiques pour des applications pratiques. / Generative models have revolutionized the field of artificial intelligence (AI). Particularly, work on generative adversarial networks (GANs) and latent diffusion models (LDMs) have demonstrated extraordinary capacity in terms of sample quality. At the time of writing this thesis, these models are on the brink of generating data which are nearly indistinguishable from human-perceived reality. The objective of this thesis is twofold: first, to understand the underlying learning and inference dynamics of these models; and second, to use this knowledge to improve and stabilize their training, as well as to enhance the utility of the generated data in downstream applications. To that end, this thesis provides three articles aimed at more stable training and effective data generation. In the first article, our focus is on addressing the inherent instability in the training dynamics of GANs and other types of min-max games. We introduce an effective technique to alleviate the instability of these games by incorporating a negative coefficient for momentum—a rather unconventional recipe from classical single-objective optimization. We theoretically and empirically study and validate the effect of negative momentum on simple games and GANs with saturating loss. In the second article, our research takes a novel perspective by modeling min-max games and GANs, as physical systems. This conceptual shift allows for a deeper understanding of the dynamics at play and offers new ways to modify these dynamics. Using the principle of least action in physics, we introduce the LEAD optimizer, specifically designed for min-max games. We explore LEAD both theoretically and empirically, showcasing its effectiveness in both simplified games and within the context of GANs. This approach offers a novel and general physical perspective on game optimization. The third article shifts focus towards the practical application of generative models, particularly diffusion models, for downstream applications. We leverage the unique iterative sampling process inherent to diffusion models, guiding it with feedback from a pretrained classifier during the inference phase. This feedback-guided sampling process enables the generation of useful and rare data samples that are specifically tailored to the needs of the classifier at hand. Our experiments demonstrate that this approach proves useful in addressing imbalanced classification tasks, achieving new state-of-the-art results while being twice as efficient in terms of the amount of synthesized data required compared to previous work. All in all, these three articles take steps towards understanding the training and inference dynamics of generative models and utilizing their synthetic data for practical applications.