The question of the possibility of intelligent machines is fundamentally intertwined with the machines’ ability to reason. Or not. The developments of the recent years point in a completely different direction : What we need is simple, generic but scalable algorithms that can keep learning on their own. This thesis is an attempt to find theoretical explanations to the findings of recent years where empirical evidence has been presented in support of phase transitions in neural networks, power law behavior of various entities, and even evidence of algorithmic universality, all of which are beautifully explained in the context of statistical physics, quantum field theory and statistical field theory but not necessarily in the context of deep learning where no complete theoretical framework is available. Inspired by these developments, and as it turns out, with the overly ambitious goal of providing a solid theoretical explanation of the empirically observed power laws in neu- ral networks, we set out to substantiate the claims that renormalization group theory may be the sought-after theory of deep learning which may explain the above, as well as what we call algorithmic universality. / La question de la possibilité de machines intelligentes est intimement liée à la capacité de ces machines à raisonner. Ou pas. Les développements des dernières années indiquent une direction complètement différente : ce dont nous avons besoin sont des algorithmes simples, génériques mais évolutifs qui peuvent continuer à apprendre de leur propre chef. Cette thèse est une tentative de trouver des explications théoriques aux constatations des dernières années où des preuves empiriques ont été présentées en faveur de transitions de phase dans les réseaux de neurones, du comportement en loi de puissance de diverses entités, et même de l'universialité algorithmique, tout cela étant parfaitement expliqué dans le contexte de la physique statistique, de la théorie quantique des champs et de la théorie statistique des champs, mais pas nécessairement dans le contexte de l'apprentissage profond où aucun cadre théorique complet n'est disponible. Inspiré par ces développements, et comme il s'avère, avec le but ambitieux de fournir une explication théorique solide des lois de puissance empiriquement observées dans les réseaux de neurones, nous avons entrepris de étayer les affirmations selon lesquelles la théorie du groupe de renormalisation pourrait être la théorie recherchée de l'apprentissage profond qui pourrait expliquer cela, ainsi que ce que nous appelons l'universialité algorithmique.

L'intelligence artificielle (IA) moderne a ouvert de nouvelles perspectives prometteuses pour la création de robots intelligents. En particulier, les architectures d'apprentissage basées sur le gradient (réseaux neuronaux profonds) ont considérablement amélioré la compréhension des scènes 3D en termes de perception, de raisonnement et d'action. Cependant, ces progrès ont affaibli l'attrait de nombreuses techniques ``classiques'' développées au cours des dernières décennies. Nous postulons qu'un mélange de méthodes ``classiques'' et ``apprises'' est la voie la plus prometteuse pour développer des modèles du monde flexibles, interprétables et exploitables : une nécessité pour les agents intelligents incorporés. La question centrale de cette thèse est : ``Quelle est la manière idéale de combiner les techniques classiques avec des architectures d'apprentissage basées sur le gradient pour une compréhension riche du monde 3D ?''. Cette vision ouvre la voie à une multitude d'applications qui ont un impact fondamental sur la façon dont les agents physiques perçoivent et interagissent avec leur environnement. Cette thèse, appelée ``programmes différentiables pour modèler l'environnement'', unifie les efforts de plusieurs domaines étroitement liés mais actuellement disjoints, notamment la robotique, la vision par ordinateur, l'infographie et l'IA. Ma première contribution---gradSLAM--- est un système de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) dense et entièrement différentiable. En permettant le calcul du gradient à travers des composants autrement non différentiables tels que l'optimisation non linéaire par moindres carrés, le raycasting, l'odométrie visuelle et la cartographie dense, gradSLAM ouvre de nouvelles voies pour intégrer la reconstruction 3D classique et l'apprentissage profond. Ma deuxième contribution - taskography - propose une sparsification conditionnée par la tâche de grandes scènes 3D encodées sous forme de graphes de scènes 3D. Cela permet aux planificateurs classiques d'égaler (et de surpasser) les planificateurs de pointe basés sur l'apprentissage en concentrant le calcul sur les attributs de la scène pertinents pour la tâche. Ma troisième et dernière contribution---gradSim--- est un simulateur entièrement différentiable qui combine des moteurs physiques et graphiques différentiables pour permettre l'estimation des paramètres physiques et le contrôle visuomoteur, uniquement à partir de vidéos ou d'une image fixe. / Modern artificial intelligence (AI) has created exciting new opportunities for building intelligent robots. In particular, gradient-based learning architectures (deep neural networks) have tremendously improved 3D scene understanding in terms of perception, reasoning, and action. However, these advancements have undermined many ``classical'' techniques developed over the last few decades. We postulate that a blend of ``classical'' and ``learned'' methods is the most promising path to developing flexible, interpretable, and actionable models of the world: a necessity for intelligent embodied agents. ``What is the ideal way to combine classical techniques with gradient-based learning architectures for a rich understanding of the 3D world?'' is the central question in this dissertation. This understanding enables a multitude of applications that fundamentally impact how embodied agents perceive and interact with their environment. This dissertation, dubbed ``differentiable world programs'', unifies efforts from multiple closely-related but currently-disjoint fields including robotics, computer vision, computer graphics, and AI. Our first contribution---gradSLAM---is a fully differentiable dense simultaneous localization and mapping (SLAM) system. By enabling gradient computation through otherwise non-differentiable components such as nonlinear least squares optimization, ray casting, visual odometry, and dense mapping, gradSLAM opens up new avenues for integrating classical 3D reconstruction and deep learning. Our second contribution---taskography---proposes a task-conditioned sparsification of large 3D scenes encoded as 3D scene graphs. This enables classical planners to match (and surpass) state-of-the-art learning-based planners by focusing computation on task-relevant scene attributes. Our third and final contribution---gradSim---is a fully differentiable simulator that composes differentiable physics and graphics engines to enable physical parameter estimation and visuomotor control, solely from videos or a still image.

L'intelligence artificielle est un domaine en pleine évolution. Au premier plan des percées récentes se retrouve des approches connues sous le nom d'apprentissage automatique. Cependant, bien que l'apprentissage automatique ait montré des performances remarquables dans des tâches telles que la reconnaissance et la génération d'images, la génération et la traduction de textes et le traitement de la parole, il est connu pour échouer silencieusement dans des conditions courantes. Cela est dû au fait que les algorithmes modernes héritent des biais des données utilisées pour les créer, ce qui conduit à des prédictions incorrectes lorsqu'ils rencontrent de nouvelles données différentes des données d'entraînement. Ce problème est connu sous le nom de défaillance hors-distribution. Cela rend l'intelligence artificielle moderne peu fiable et constitue un obstacle important à son déploiement sécuritaire et généralisé. Ignorer l'échec de généralisation hors-distribution de l'apprentissage automatique pourrait entraîner des situations mettant des vies en danger. Cette thèse vise à aborder cette question et propose des solutions pour assurer le déploiement sûr et fiable de modèles d'intelligence artificielle modernes. Nous présentons trois articles qui couvrent différentes directions pour résoudre l'échec de généralisation hors-distribution de l'apprentissage automatique. Le premier article propose une approche directe qui démontre une performance améliorée par rapport à l'état de l'art. Le deuxième article établie les bases de recherches futures en généralisation hors distribution dans les séries temporelles, tandis que le troisième article fournit une solution simple pour corriger les échecs de généralisation des grands modèles pré-entraînés lorsqu'entraîné sur tes tâches en aval. Ces articles apportent des contributions précieuses au domaine et fournissent des pistes prometteuses pour la recherche future en généralisation hors distribution. / Artificial Intelligence (AI) is a rapidly advancing field, with data-driven approaches known as machine learning, at the forefront of many recent breakthroughs. However, while machine learning have shown remarkable performance in tasks such as image recognition and generation, text generation and translation, and speech processing, they are known to silently fail under common conditions. This is because modern AI algorithms inherit biases from the data used to train them, leading to incorrect predictions when encountering new data that is different from the training data. This problem is known as distribution shift or out-of-distribution (OOD) failure. This causes modern AI to be untrustworthy and is a significant barrier to the safe widespread deployment of AI. Failing to address the OOD generalization failure of machine learning could result in situations that put lives in danger or make it impossible to deploy AI in any significant manner. This thesis aims to tackle this issue and proposes solutions to ensure the safe and reliable deployment of modern deep learning models. We present three papers that cover different directions in solving the OOD generalization failure of machine learning. The first paper proposes a direct approach that demonstrates improved performance over the state-of-the-art. The second paper lays the groundwork for future research in OOD generalization in time series, while the third paper provides a straightforward solution for fixing generalization failures of large pretrained models when finetuned on downstream tasks. These papers make valuable contributions to the field and provide promising avenues for future research in OOD generalization.

Les réseaux de neurones sont un type de modèle d'apprentissage automatique (ML) qui résolvent des tâches complexes d'intelligence artificielle (AI) sans nécessiter de représentations de données élaborées manuellement. Bien qu'ils aient obtenu des résultats impressionnants dans des tâches nécessitant un traitement de la parole, d’image, et du langage, les réseaux de neurones ont encore de la difficulté à résoudre des tâches de compréhension de scènes dynamiques. De plus, l’entraînement de réseaux de neurones nécessite généralement de nombreuses données annotées manuellement, ce qui peut être un processus long et coûteux. Cette thèse est composée de quatre articles proposant des modèles génératifs pour des scènes dynamiques. La modélisation générative est un domaine du ML qui étudie comment apprendre les mécanismes par lesquels les données sont produites. La principale motivation derrière les modèles génératifs est de pouvoir, sans utiliser d’étiquettes, apprendre des représentations de données utiles; c’est un sous-produit de l'approximation du processus de génération de données. De plus, les modèles génératifs sont utiles pour un large éventail d'applications telles que la super-résolution d'images, la synthèse vocale ou le résumé de texte. Le premier article se concentre sur l'amélioration de la performance des précédents auto-encodeurs variationnels (VAE) pour la prédiction vidéo. Il s’agit d’une tâche qui consiste à générer les images futures d'une scène dynamique, compte tenu de certaines observations antérieures. Les VAE sont une famille de modèles à variables latentes qui peuvent être utilisés pour échantillonner des points de données. Comparés à d'autres modèles génératifs, les VAE sont faciles à entraîner et ont tendance à couvrir tous les modes des données, mais produisent souvent des résultats de moindre qualité. En prédiction vidéo, les VAE ont été les premiers modèles capables de produire des images futures plausibles à partir d’un contexte donné, un progrès marquant par rapport aux modèles précédents car, pour la plupart des scènes dynamiques, le futur n'est pas une fonction déterministe du passé. Cependant, les premiers VAE pour la prédiction vidéo produisaient des résultats avec des artefacts visuels visibles et ne fonctionnaient pas sur des ensembles de données réalistes complexes. Dans cet article, nous identifions certains des facteurs limitants de ces modèles, et nous proposons pour chacun d’eux une solution pour en atténuer l'impact. Grâce à ces modifications, nous montrons que les VAE pour la prédiction vidéo peuvent obtenir des résultats de qualité nettement supérieurs par rapport aux références précédentes, et qu'ils peuvent être utilisés pour modéliser des scènes de conduite autonome. Dans le deuxième article, nous proposons un nouveau modèle en cascade pour la génération vidéo basé sur les réseaux antagonistes génératifs (GAN). Après le succès des VAE pour prédiction vidéo, il a été démontré que les GAN produisaient des échantillons vidéo de meilleure qualité pour la génération vidéo conditionnelle à des classes. Cependant, les GAN nécessitent de très grandes tailles de lots ainsi que des modèles de grande capacité, ce qui rend l’entraînement des GAN pour la génération vidéo coûteux computationnellement, à la fois en termes de mémoire et en temps de calcul. Nous proposons de scinder le processus génératif en une cascade de sous-modèles, chacun d'eux résolvant un problème plus simple. Cette division nous permet de réduire considérablement le coût computationnel tout en conservant la qualité de l'échantillon, et nous démontrons que ce modèle peut s'adapter à de très grands ensembles de données ainsi qu’à des vidéos de haute résolution. Dans le troisième article, nous concevons un modèle basé sur le principe qu'une scène est composée de différents objets, mais que les transitions de trame (également appelées règles dynamiques) sont partagées entre les objets. Pour mettre en œuvre cette hypothèse de modélisation, nous concevons un modèle qui extrait d'abord les différentes entités d'une image. Ensuite, le modèle apprend à mettre à jour la représentation de l'objet d'une image à l'autre en choisissant parmi différentes transitions possibles qui sont toutes partagées entre les différents objets. Nous montrons que, lors de l'apprentissage d'un tel modèle, les règles de transition sont fondées sémantiquement, et peuvent être appliquées à des objets non vus lors de l'apprentissage. De plus, nous pouvons utiliser ce modèle pour prédire les observations multimodales futures d'une scène dynamique en choisissant différentes transitions. Dans le dernier article nous proposons un modèle génératif basé sur des techniques de rendu 3D qui permet de générer des scènes avec plusieurs objets. Nous concevons un mécanisme d'inférence pour apprendre les représentations qui peuvent être rendues avec notre modèle et nous optimisons simultanément ce mécanisme d'inférence et le moteur de rendu. Nous montrons que ce modèle possède une représentation interprétable dans laquelle des changements sémantiques appliqués à la représentation de la scène sont rendus dans la scène générée. De plus, nous montrons que, suite au processus d’entraînement, notre modèle apprend à segmenter les objets dans une scène sans annotations et que la représentation apprise peut être utilisée pour résoudre des tâches de compréhension de scène dynamique en déduisant la représentation de chaque observation. / Neural networks are a type of Machine Learning (ML) models that solve complex Artificial Intelligence (AI) tasks without requiring handcrafted data representations. Although they have achieved impressive results in tasks requiring speech, image and language processing, neural networks still struggle to solve dynamic scene understanding tasks. Furthermore, training neural networks usually demands lots data that is annotated manually, which can be an expensive and time-consuming process. This thesis is comprised of four articles proposing generative models for dynamic scenes. Generative modelling is an area of ML that investigates how to learn the mechanisms by which data is produced. The main motivation for generative models is to learn useful data representations without labels as a by-product of approximating the data generation process. Furthermore, generative models are useful for a wide range of applications such as image super-resolution, voice synthesis or text summarization. The first article focuses on improving the performance of previous Variational AutoEncoders (VAEs) for video prediction, which is the task of generating future frames of a dynamic scene given some previous occurred observations. VAEs are a family of latent variable models that can be used to sample data points. Compared to other generative models, VAEs are easy to train and tend to cover all data modes, but often produce lower quality results. In video prediction VAEs were the first models that were able to produce multiple plausible future outcomes given a context, marking an advancement over previous models as for most dynamic scenes the future is not a deterministic function of the past. However, the first VAEs for video prediction produced results with visible visual artifacts and could not operate on complex realistic datasets. In this article we identify some of the limiting factors for these models, and for each of them we propose a solution to ease its impact. With our proposed modifications, we show that VAEs for video prediction can obtain significant higher quality results over previous baselines and that they can be used to model autonomous driving scenes. In the second article we propose a new cascaded model for video generation based on Generative Adversarial Networks (GANs). After the success of VAEs in video prediction, GANs were shown to produce higher quality video samples for class-conditional video generation. However, GANs require very large batch sizes and high capacity models, which makes training GANs for video generation computationally expensive, both in terms of memory and training time. We propose to split the generative process into a cascade of submodels, each of them solving a smaller generative problem. This split allows us to significantly reduce the computational requirements while retaining sample quality, and we show that this model can scale to very large datasets and video resolutions. In the third article we design a model based on the premise that a scene is comprised of different objects but that frame transitions (also known as dynamic rules) are shared among objects. To implement this modeling assumption we design a model that first extracts the different entities in a frame, and then learns to update the object representation from one frame to another by choosing among different possible transitions, all shared among objects. We show that, when learning such a model, the transition rules are semantically grounded and can be applied to objects not seen during training. Further, we can use this model for predicting multimodal future observations of a dynamic scene by choosing different transitions. In the last article we propose a generative model based on 3D rendering techniques that can generate scenes with multiple objects. We design an inference mechanism to learn representations that can be rendered with our model and we simultaneously optimize this inference mechanism and the renderer. We show that this model has an interpretable representation in which semantic changes to the scene representation are shown in the output. Furthermore, we show that, as a by product of the training process, our model learns to segment the objects in a scene without annotations and that the learned representation can be used to solve dynamic scene understanding tasks by inferring the representation of each observation.

L’avènement d’internet suivi des réseaux sociaux a permis un accès facile et une diffusion rapide de l’information par toute personne disposant d’une connexion internet. L’une des conséquences néfastes de cela est la propagation de fausses informations appelées «fake news». Les fake news représentent aujourd’hui un enjeu majeur au regard de ces conséquences. De nombreuses personnes affirment encore aujourd’hui que sans la diffusion massive de fake news sur Hillary Clinton lors de la campagne présidentielle de 2016, Donald Trump n’aurait peut-être pas été le vainqueur de cette élection. Le sujet de ce mémoire concerne donc la détection automatique des fake news. De nos jours, il existe un grand nombre de travaux à ce sujet. La majorité des approches présentées se basent soit sur l’exploitation du contenu du texte d’entrée, soit sur le contexte social du texte ou encore sur un mélange entre ces deux types d’approches. Néanmoins, il existe très peu d’outils ou de systèmes efficaces qui détecte une fausse information dans la vie réelle, tout en incluant l’évolution de l’information au cours du temps. De plus, il y a un manque criant de systèmes conçues dans le but d’aider les utilisateurs des réseaux sociaux à adopter un comportement qui leur permettrait de détecter les fausses nouvelles. Afin d’atténuer ce problème, nous proposons un système appelé DS-Fake. À notre connaissance, ce système est le premier à inclure l’exploration de flux de données. Un flux de données est une séquence infinie et dénombrable d’éléments et est utilisée pour représenter des données rendues disponibles au fil du temps. DS-Fake explore à la fois l’entrée et le contenu d’un flux de données. L’entrée est une publication sur Twitter donnée au système afin qu’il puisse déterminer si le tweet est digne de confiance. Le flux de données est extrait à l’aide de techniques d’extraction du contenu de sites Web. Le contenu reçu par ce flux est lié à l’entrée en termes de sujets ou d’entités nommées mentionnées dans le texte d’entrée. DS-Fake aide également les utilisateurs à développer de bons réflexes face à toute information qui se propage sur les réseaux sociaux. DS-Fake attribue un score de crédibilité aux utilisateurs des réseaux sociaux. Ce score décrit la probabilité qu’un utilisateur puisse publier de fausses informations. La plupart des systèmes utilisent des caractéristiques comme le nombre de followers, la localisation, l’emploi, etc. Seuls quelques systèmes utilisent l’historique des publications précédentes d’un utilisateur afin d’attribuer un score. Pour déterminer ce score, la majorité des systèmes utilisent la moyenne. DS-Fake renvoie un pourcentage de confiance qui détermine la probabilité que l’entrée soit fiable. Contrairement au petit nombre de systèmes qui utilisent l’historique des publications en ne prenant pas en compte que les tweets précédents d’un utilisateur, DS-Fake calcule le score de crédibilité sur la base des tweets précédents de tous les utilisateurs. Nous avons renommé le score de crédibilité par score de légitimité. Ce dernier est basé sur la technique de la moyenne Bayésienne. Cette façon de calculer le score permet d’atténuer l’impact des résultats des publications précédentes en fonction du nombre de publications dans l’historique. Un utilisateur donné ayant un plus grand nombre de tweets dans son historique qu’un autre utilisateur, même si les tweets des deux sont tous vrais, le premier utilisateur est plus crédible que le second. Son score de légitimité sera donc plus élevé. À notre connaissance, ce travail est le premier qui utilise la moyenne Bayésienne basée sur l’historique de tweets de toutes les sources pour attribuer un score à chaque source. De plus, les modules de DS-Fake ont la capacité d’encapsuler le résultat de deux tâches, à savoir la similarité de texte et l’inférence en langage naturel hl(en anglais Natural Language Inference). Ce type de modèle qui combine ces deux tâches de TAL est également nouveau pour la problématique de la détection des fake news. DS-Fake surpasse en termes de performance toutes les approches de l’état de l’art qui ont utilisé FakeNewsNet et qui se sont basées sur diverses métriques. Il y a très peu d’ensembles de données complets avec une variété d’attributs, ce qui constitue un des défis de la recherche sur les fausses nouvelles. Shu et al. ont introduit en 2018 l’ensemble de données FakeNewsNet pour résoudre ce problème. Le score de légitimité et les tweets récupérés ajoutent des attributs à l’ensemble de données FakeNewsNet. / The advent of the internet, followed by online social networks, has allowed easy access and rapid propagation of information by anyone with an internet connection. One of the harmful consequences of this is the spread of false information, which is well-known by the term "fake news". Fake news represent a major challenge due to their consequences. Some people still affirm that without the massive spread of fake news about Hillary Clinton during the 2016 presidential campaign, Donald Trump would not have been the winner of the 2016 United States presidential election. The subject of this thesis concerns the automatic detection of fake news. Nowadays, there is a lot of research on this subject. The vast majority of the approaches presented in these works are based either on the exploitation of the input text content or the social context of the text or even on a mixture of these two types of approaches. Nevertheless, there are only a few practical tools or systems that detect false information in real life, and that includes the evolution of information over time. Moreover, no system yet offers an explanation to help social network users adopt a behaviour that will allow them to detect fake news. In order to mitigate this problem, we propose a system called DS-Fake. To the best of our knowledge, this system is the first to include data stream mining. A data stream is a sequence of elements used to represent data elements over time. This system explores both the input and the contents of a data stream. The input is a post on Twitter given to the system that determines if the tweet can be trusted. The data stream is extracted using web scraping techniques. The content received by this flow is related to the input in terms of topics or named entities mentioned in the input text. This system also helps users develop good reflexes when faced with any information that spreads on social networks. DS-Fake assigns a credibility score to users of social networks. This score describes how likely a user can publish false information. Most of the systems use features like the number of followers, the localization, the job title, etc. Only a few systems use the history of a user’s previous publications to assign a score. To determine this score, most systems use the average. DS-Fake returns a percentage of confidence that determines how likely the input is reliable. Unlike the small number of systems that use the publication history by taking into account only the previous tweets of a user, DS-Fake calculates the credibility score based on the previous tweets of all users. We renamed the credibility score legitimacy score. The latter is based on the Bayesian averaging technique. This way of calculating the score allows attenuating the impact of the results from previous posts according to the number of posts in the history. A user who has more tweets in his history than another user, even if the tweets of both are all true, the first user is more credible than the second. His legitimacy score will therefore be higher. To our knowledge, this work is the first that uses the Bayesian average based on the post history of all sources to assign a score to each source. DS-Fake modules have the ability to encapsulate the output of two tasks, namely text similarity and natural language inference. This type of model that combines these two NLP tasks is also new for the problem of fake news detection. There are very few complete datasets with a variety of attributes, which is one of the challenges of fake news research. Shu et al. introduce in 2018 the FakeNewsNet dataset to tackle this issue. Our work uses and enriches this dataset. The legitimacy score and the retrieved tweets from named entities mentioned in the input texts add features to the FakeNewsNet dataset. DS-Fake outperforms all state-of-the-art approaches that have used FakeNewsNet and that are based on various metrics.

Les modèles de réponse aux questions ont montré des résultats impressionnants sur plusieurs ensembles de données et tâches de réponse aux questions. Cependant, lorsqu'ils sont testés sur des ensembles de données hors domaine, la performance diminue. Afin de contourner l'annotation manuelle des données d'entraînement du nouveau domaine, des paires de questions-réponses peuvent être générées synthétiquement à partir de données non annotées. Dans ce travail, nous nous intéressons à la génération de données synthétiques et nous testons différentes méthodes de traitement du langage naturel pour les deux étapes de création d'ensembles de données : génération de questions et génération de réponses. Nous utilisons les ensembles de données générés pour entraîner les modèles UnifiedQA et Bert-QA et nous les testons sur SCIQ, un ensemble de données hors domaine sur la physique, la chimie et la biologie pour la tâche de question-réponse à choix multiples, ainsi que sur HotpotQA, TriviaQA, NatQ et SearchQA, quatre ensembles de données hors domaine pour la tâche de question-réponse. Cette procédure nous permet d'évaluer et de comparer les méthodes basées sur des règles avec les méthodes de réseaux neuronaux. Nous montrons que les méthodes basées sur des règles produisent des résultats supérieurs pour la tâche de question-réponse à choix multiple, mais que les méthodes de réseaux neuronaux produisent généralement des meilleurs résultats pour la tâche de question-réponse. Par contre, nous observons aussi qu'occasionnellement, les méthodes basées sur des règles peuvent compléter les méthodes de réseaux neuronaux et produire des résultats compétitifs lorsqu'on entraîne Bert-QA avec les bases de données synthétiques provenant des deux méthodes. / Question Answering models have shown impressive results in several question answering datasets and tasks. However, when tested on out-of-domain datasets, the performance decreases. In order to circumvent manually annotating training data from the new domain, question-answer pairs can be generated synthetically from unnanotated data. In this work, we are interested in the generation of synthetic data and we test different Natural Language Processing methods for the two steps of dataset creation: question/answer generation. We use the generated datasets to train QA models UnifiedQA and Bert-QA and we test it on SCIQ, an out-of-domain dataset about physics, chemistry, and biology for MCQA, and on HotpotQA, TriviaQA, NatQ and SearchQA, four out-of-domain datasets for QA. This procedure allows us to evaluate and compare rule-based methods with neural network methods. We show that rule-based methods yield superior results for the multiple-choice question-answering task, but neural network methods generally produce better results for the question-answering task. However, we also observe that occasionally, rule-based methods can complement neural network methods and produce competitive results when training Bert-QA with synthetic databases derived from both methods.

Cette thèse par article se compose de quatre articles qui contribuent au domaine de l’apprentissage profond, en particulier dans la compréhension et l’apprentissage des ap- proches neuronales des systèmes de dialogue. Le premier article fait un pas vers la compréhension si les architectures de dialogue neuronal couramment utilisées capturent efficacement les informations présentes dans l’historique des conversations. Grâce à une série d’expériences de perturbation sur des ensembles de données de dialogue populaires, nous constatons que les architectures de dialogue neuronal couramment utilisées comme les modèles seq2seq récurrents et basés sur des transformateurs sont rarement sensibles à la plupart des perturbations du contexte d’entrée telles que les énoncés manquants ou réorganisés, les mots mélangés, etc. Le deuxième article propose d’améliorer la qualité de génération de réponse dans les systèmes de dialogue de domaine ouvert en modélisant conjointement les énoncés avec les attributs de dialogue de chaque énoncé. Les attributs de dialogue d’un énoncé se réfèrent à des caractéristiques ou des aspects discrets associés à un énoncé comme les actes de dialogue, le sentiment, l’émotion, l’identité du locuteur, la personnalité du locuteur, etc. Le troisième article présente un moyen simple et économique de collecter des ensembles de données à grande échelle pour modéliser des systèmes de dialogue orientés tâche. Cette approche évite l’exigence d’un schéma d’annotation d’arguments complexes. La version initiale de l’ensemble de données comprend 13 215 dialogues basés sur des tâches comprenant six domaines et environ 8 000 entités nommées uniques, presque 8 fois plus que l’ensemble de données MultiWOZ populaire. / This thesis by article consists of four articles which contribute to the field of deep learning, specifically in understanding and learning neural approaches to dialog systems. The first article takes a step towards understanding if commonly used neural dialog architectures effectively capture the information present in the conversation history. Through a series of perturbation experiments on popular dialog datasets, wefindthatcommonly used neural dialog architectures like recurrent and transformer-based seq2seq models are rarely sensitive to most input context perturbations such as missing or reordering utterances, shuffling words, etc. The second article introduces a simple and cost-effective way to collect large scale datasets for modeling task-oriented dialog systems. This approach avoids the requirement of a com-plex argument annotation schema. The initial release of the dataset includes 13,215 task-based dialogs comprising six domains and around 8k unique named entities, almost 8 times more than the popular MultiWOZ dataset. The third article proposes to improve response generation quality in open domain dialog systems by jointly modeling the utterances with the dialog attributes of each utterance. Dialog attributes of an utterance refer to discrete features or aspects associated with an utterance like dialog-acts, sentiment, emotion, speaker identity, speaker personality, etc. The final article introduces an embedding-free method to compute word representations on-the-fly. This approach significantly reduces the memory footprint which facilitates de-ployment in on-device (memory constraints) devices. Apart from being independent of the vocabulary size, we find this approach to be inherently resilient to common misspellings.

La problématique de l'apprentissage de comportements sur un robot autonome soulève de nombreuses questions liées au contrôle moteur, à l'encodage du comportement, aux stratégies comportementales et à la sélection de l'action. Utiliser une approche développementale présente un intérêt tout particulier dans le cadre de la robotique autonome. Le comportement du robot repose sur des mécanismes de bas niveau dont les interactions permettent de faire émerger des comportements plus complexes. Le robot ne possède pas d'informations a priori sur ses caractéristiques physiques ou sur l'environnement, il doit apprendre sa propre dynamique sensori-motrice. J'ai débuté ma thèse par l'étude d'un modèle d'imitation bas niveau. Du point de vue du développement, l'imitation est présente dès la naissance et accompagne, sous de multiples formes, le développement du jeune enfant. Elle présente une fonction d'apprentissage et se révèle alors être un atout en terme de temps d'acquisition de comportements, ainsi qu'une fonction de communication participant à l'amorce et au maintien d'interactions non verbales et naturelles. De plus, même s'il n'y a pas de réelle intention d'imiter, l'observation d'un autre agent permet d'extraire suffisamment d'informations pour être capable de reproduire la tâche. Mon travail a donc dans un premier temps consisté à appliquer et tester un modèle développemental qui permet l'émergence de comportements d'imitation de bas niveau sur un robot autonome. Ce modèle est construit comme un homéostat qui tend à équilibrer par l'action ses informations perceptives frustres (détection du mouvement, détection de couleur, informations sur les angles des articulations d'un bras de robot). Ainsi, lorsqu'un humain bouge sa main dans le champ visuel du robot, l'ambigüité de la perception de ce dernier lui fait confondre la main de l'humain avec l'extrémité de son bras. De l'erreur qui en résulte émerge un comportement d'imitation immédiate des gestes de l'humain par action de l'homéostat. Bien sûr, un tel modèle implique que le robot soit capable d'associer au préalable les positions visuelles de son effecteur avec les informations proprioceptives de ses moteurs. Grace au comportement d'imitation, le robot réalise des mouvements qu'il peut ensuite apprendre pour construire des comportements plus complexes. Comment alors passer d'un simple mouvement à un geste plus complexe pouvant impliquer un objet ou un lieu ? Je propose une architecture qui permet à un robot d'apprendre un comportement sous forme de séquences temporelles complexes (avec répétition d'éléments) de mouvements. Deux modèles différents permettant l'apprentissage de séquences ont été développés et testés. Le premier apprend en ligne le timing de séquences temporelles simples. Ce modèle ne permettant pas d'apprendre des séquences complexes, le second modèle testé repose sur les propriétés d'un réservoir de dynamiques, il apprend en ligne des séquences complexes. A l'issue de ces travaux, une architecture apprenant le timing d'une séquence complexe a été proposée. Les tests en simulation et sur robot ont montré la nécessité d'ajouter un mécanisme de resynchronisation permettant de retrouver les bons états cachés pour permettre d'amorcer une séquence complexe par un état intermédiaire. Dans un troisième temps, mes travaux ont consisté à étudier comment deux stratégies sensorimotrices peuvent cohabiter dans le cadre d'une tâche de navigation. La première stratégie encode le comportement à partir d'informations spatiales alors que la seconde utilise des informations temporelles. Les deux architectures ont été testées indépendamment sur une même tâche. Ces deux stratégies ont ensuite été fusionnées et exécutées en parallèle. La fusion des réponses délivrées par les deux stratégies a été réalisée avec l'utilisation de champs de neurones dynamiques. Un mécanisme de "chunking" représentant l'état instantané du robot (le lieu courant avec l'action courante) permet de resynchroniser les dynamiques des séquences temporelles. En parallèle, un certain nombre de problème de programmation et de conception des réseaux de neurones sont apparus. En effet, nos réseaux peuvent compter plusieurs centaines de milliers de neurones. Il devient alors difficile de les exécuter sur une seule unité de calcul. Comment concevoir des architectures neuronales avec des contraintes de répartition de calcul, de communications réseau et de temps réel ? Une autre partie de mon travail a consisté à apporter des outils permettant la modélisation, la communication et l'exécution en temps réel d'architecture distribuées. Pour finir, dans le cadre du projet européen Feelix Growing, j'ai également participé à l'intégration de mes travaux avec ceux du laboratoire LASA de l'EPFL pour l'apprentissage de comportements complexes mêlant la navigation, le geste et l'objet. En conclusion, cette thèse m'a permis de développer à la fois de nouveaux modèles pour l'apprentissage de comportements - dans le temps et dans l'espace, de nouveaux outils pour maîtriser des réseaux de neurones de très grande taille et de discuter à travers les limitations du système actuel, les éléments importants pour un système de sélection de l'action.