Dans ce présent mémoire, nous présenterons dans un premier temps l’algorithme d’arbres binaires de partitionnement et la forêt d’isolation. Les arbres binaires sont des classificateurs très populaires dans le domaine de l’apprentissage automatique supervisé. La forêt d’isolation appartient à la famille des méthodes non supervisées. Il s’agit d’un ensemble d’arbres binaires employés en commun pour isoler les instances qui semblent aberrantes ou anormales. Par la suite, nous présenterons l’approche que nous avons nommée "Exponential smoothig" (ou "pooling"). Cette technique consiste à encoder des séquences de variables de longueurs différentes en un seul vecteur de taille fixe. En effet, l’objectif de ce mémoire est d’appliquer l’algorithme des forêts d’isolation pour identifier les anomalies dans les réclamations et les formulaires d’assurances disponibles dans la base de données d’une grande compagnie d’assurances canadienne. Cependant, un formulaire est une séquence de réclamations. Chaque réclamation est caractérisée par un ensemble de variables. Ainsi, il serait impossible d’appliquer l’algorithme des forêts d’isolation directement sur ce genre de données. Pour cette raison, nous allons appliquer le pooling. Notre application parvient effectivement à isoler des réclamations et des formulaires anormaux. Nous constatons que ces derniers ont plus tendances à être audités parla compagnie que les formulaires normaux. / In this thesis, we will first present the binary tree partitioning algorithm and isolation forests. Binary trees are very popular classifiers in supervised machine learning. The isolation forest belongs to the family of unsupervised methods. It is an ensemble of binary trees used in common to isolate outlying instances. Subsequently, we will present the approach that we have named "Exponential smoothig" (or "pooling"). This technique consists in encoding sequences of variables of different lengths into a single vector of fixed size. Indeed, the objective of this thesis is to apply the algorithm of isolation forests to identify anomalies in insurance claim forms available in the database of a large Canadian insurance company in order to detect cases of fraud. However, a form is a sequence of claims. Each claim is characterized by a set of variables and thus it will be impossible to apply the isolation forest algorithm directly to this kind of data. It is for this reason that we are going to apply Exponential smoothing. Our application effectively isolates claims and abnormal forms, and we find that the latter tend to be audited by the company more often than regular forms.

Récemment, le problème de la compréhension de l’image a été l’objet de beaucoup d’attentions dans la littérature. La catégorisation de scène peut être vue comme un sous-ensemble de la compréhension d’image utilisée pour donner un contexte à la compréhension d’image ainsi qu’à la reconnaissance d’objet afin de faciliter ces tâches. Dans cette thèse, nous revisitons les idées classiques de la catégorisation des scènes à la lumière des approches modernes. Le modèle proposé s’inspire considérablement de la façon dont le système visuel humain comprend et perçoit son environnement. À cet égard, je soute qu’ajouter un niveau de classificateur extérieur – intérieur combiné à des caractéristiques globales et locales de scène permet d’atteindre une performance de pointe. Ainsi, un tel modèle requiert ces deux éléments afin de gérer une grande variété d’éclairage et points de vue ainsi que des objets occultés à l’intérieur des scènes. Le modèle que je propose est un cadre hiérarchique en deux étapes qui comprend un classificateur extérieur – intérieur à son stade initial et un modèle de scène contextuelle au stade final. Je monte ensuite que les fonctionnalités locales introduites, combinées aux caractéristiques globales, produisent des caractéristiques de scène plus stables. Par conséquent, les deux sont des ingrédients d’un modèle de scène. Les caractéristiques de texture des scène extérieures agissent comme caractéristique locale, tandis que leur apparence spatiale agit comme caractéristique globale. Dans les scènes d’intérieur, les caractéristiques locales capturent des informations détaillées sur les objets alors que les caractéristiques globales représentent l’arrière-plan et le contexte de la scène. Enfin, je confirme que le modèle présenté est capable de fournir des performances de pointe sur trois jeux de données de scène qui sont des standards de facto; 15 – Scene Category, 67 –Indoor Scenes, et SUN 397. / Recently the problem of image understanding has drawn lots of attention in the literature. Scene categorization can be seen as a subset of image understanding utilized to give context to image understanding also to object recognition in order to ease these tasks. In this thesis, I revisit the classical ideas, model driven approaches, in scene categorization in the light of modern approaches, data driven approaches. The proposed model is greatly inspired by human visual system in understanding and perceiving its environment. In this regard, I argue that adding a level of outdoor – indoor classifier combined with global and local scene features, would reach to the state-of-the-art performance. Thus, such a model requires both of these elements in order to handle wide variety of illumination and viewpoint as well as occluded objects within scenes. The proposed model is a two-stage hierarchical model which features an outdoor – indoor classifier at its initial stage and a contextual scene model at its final stage. I later show that the introduced local features combined with global features produce more stable scene features, hence both are essential components of a scene model. Texture-like characteristics of outdoor scenes act as local feature meanwhile their spatial appearance act as the global feature. In indoor scenes, local features capture detailed information on objects, while global features represent background and the context of the scene. Finally, I have confirmed that the presented model is capable of delivering state-of-the-art performance on 15 – Scene Category, 67 – Indoor Scenes, and SUN 397, three de-facto standard scene datasets

Dans cette thèse, l’optimisation bayésienne sera analysée et étendue pour divers problèmes reliés à l’apprentissage supervisé. Les contributions de la thèse sont en lien avec 1) la surestimation de la performance de généralisation des hyperparamètres et des modèles résultants d’une optimisation bayésienne, 2) une application de l’optimisation bayésienne pour la génération d’ensembles de classifieurs, et 3) l’optimisation d’espaces avec une structure conditionnelle telle que trouvée dans les problèmes “d’apprentissage machine automatique” (AutoML). Généralement, les algorithmes d’apprentissage automatique ont des paramètres libres, appelés hyperparamètres, permettant de réguler ou de modifier leur comportement à plus haut niveau. Auparavant, ces hyperparamètres étaient choisis manuellement ou par recherche exhaustive. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’utiliser des méthodes plus intelligentes pour l’optimisation d’hyperparamètres, notamment l’optimisation bayésienne. Effectivement, l’optimisation bayésienne est un outil polyvalent pour l’optimisation de fonctions inconnues ou non dérivables, ancré fortement dans la modélisation probabiliste et l’estimation d’incertitude. C’est pourquoi nous adoptons cet outil pour le travail dans cette thèse. La thèse débute avec une introduction de l’optimisation bayésienne avec des processus gaussiens (Gaussian processes, GP) et décrit son application à l’optimisation d’hyperparamètres. Ensuite, des contributions originales sont présentées sur les dangers du surapprentissage durant l’optimisation d’hyperparamètres, où l’on se trouve à mémoriser les plis de validation utilisés pour l’évaluation. Il est démontré que l’optimisation d’hyperparamètres peut en effet mener à une surestimation de la performance de validation, même avec des méthodologies de validation croisée. Des méthodes telles que le rebrassage des plis d’entraînement et de validation sont ensuite proposées pour réduire ce surapprentissage. Une autre méthode prometteuse est démontrée dans l’utilisation de la moyenne a posteriori d’un GP pour effectuer la sélection des hyperparamètres finaux, plutôt que sélectionner directement le modèle avec l’erreur minimale en validation croisée. Les deux approches suggérées ont montré une amélioration significative sur la performance en généralisation pour un banc de test de 118 jeux de données. Les contributions suivantes proviennent d’une application de l’optimisation d’hyperparamètres pour des méthodes par ensembles. Les méthodes dites d’empilage (stacking) ont précédemment été employées pour combiner de multiples classifieurs à l’aide d’un métaclassifieur. Ces méthodes peuvent s’appliquer au résultat final d’une optimisation bayésienne d’hyperparamètres en conservant les meilleurs classifieurs identifiés lors de l’optimisation et en les combinant à la fin de l’optimisation. Notre méthode d’optimisation bayésienne d’ensembles consiste en une modification du pipeline d’optimisation d’hyperparamètres pour rechercher des hyperparamètres produisant de meilleurs modèles pour un ensemble, plutôt que d’optimiser pour la performance d’un modèle seul. L’approche suggérée a l’avantage de ne pas nécessiter plus d’entraînement de modèles qu’une méthode classique d’optimisation bayésienne d’hyperparamètres. Une évaluation empirique démontre l’intérêt de l’approche proposée. Les dernières contributions sont liées à l’optimisation d’espaces d’hyperparamètres plus complexes, notamment des espaces contenant une structure conditionnelle. Ces conditions apparaissent dans l’optimisation d’hyperparamètres lorsqu’un modèle modulaire est défini – certains hyperparamètres sont alors seulement définis si leur composante parente est activée. Un exemple de tel espace de recherche est la sélection de modèles et l’optimisation d’hyperparamètres combinée, maintenant davantage connu sous l’appellation AutoML, où l’on veut à la fois choisir le modèle de base et optimiser ses hyperparamètres. Des techniques et de nouveaux noyaux pour processus gaussiens sont donc proposées afin de mieux gérer la structure de tels espaces d’une manière fondée sur des principes. Les contributions présentées sont appuyées par une autre étude empirique sur de nombreux jeux de données. En résumé, cette thèse consiste en un rassemblement de travaux tous reliés directement à l’optimisation bayésienne d’hyperparamètres. La thèse présente de nouvelles méthodes pour l’optimisation bayésienne d’ensembles de classifieurs, ainsi que des procédures pour réduire le surapprentissage et pour optimiser des espaces d’hyperparamètres structurés. / In this thesis, we consider the analysis and extension of Bayesian hyperparameter optimization methodology to various problems related to supervised machine learning. The contributions of the thesis are attached to 1) the overestimation of the generalization accuracy of hyperparameters and models resulting from Bayesian optimization, 2) an application of Bayesian optimization to ensemble learning, and 3) the optimization of spaces with a conditional structure such as found in automatic machine learning (AutoML) problems. Generally, machine learning algorithms have some free parameters, called hyperparameters, allowing to regulate or modify these algorithms’ behaviour. For the longest time, hyperparameters were tuned by hand or with exhaustive search algorithms. Recent work highlighted the conceptual advantages in optimizing hyperparameters with more rational methods, such as Bayesian optimization. Bayesian optimization is a very versatile framework for the optimization of unknown and non-derivable functions, grounded strongly in probabilistic modelling and uncertainty estimation, and we adopt it for the work in this thesis. We first briefly introduce Bayesian optimization with Gaussian processes (GP) and describe its application to hyperparameter optimization. Next, original contributions are presented on the dangers of overfitting during hyperparameter optimization, where the optimization ends up learning the validation folds. We show that there is indeed overfitting during the optimization of hyperparameters, even with cross-validation strategies, and that it can be reduced by methods such as a reshuffling of the training and validation splits at every iteration of the optimization. Another promising method is demonstrated in the use of a GP’s posterior mean for the selection of final hyperparameters, rather than directly returning the model with the minimal crossvalidation error. Both suggested approaches are demonstrated to deliver significant improvements in the generalization accuracy of the final selected model on a benchmark of 118 datasets. The next contributions are provided by an application of Bayesian hyperparameter optimization for ensemble learning. Stacking methods have been exploited for some time to combine multiple classifiers in a meta classifier system. Those can be applied to the end result of a Bayesian hyperparameter optimization pipeline by keeping the best classifiers and combining them at the end. Our Bayesian ensemble optimization method consists in a modification of the Bayesian optimization pipeline to search for the best hyperparameters to use for an ensemble, which is different from optimizing hyperparameters for the performance of a single model. The approach has the advantage of not requiring the training of more models than a regular Bayesian hyperparameter optimization. Experiments show the potential of the suggested approach on three different search spaces and many datasets. The last contributions are related to the optimization of more complex hyperparameter spaces, namely spaces that contain a structure of conditionality. Conditions arise naturally in hyperparameter optimization when one defines a model with multiple components – certain hyperparameters then only need to be specified if their parent component is activated. One example of such a space is the combined algorithm selection and hyperparameter optimization, now better known as AutoML, where the objective is to choose the base model and optimize its hyperparameters. We thus highlight techniques and propose new kernels for GPs that handle structure in such spaces in a principled way. Contributions are also supported by experimental evaluation on many datasets. Overall, the thesis regroups several works directly related to Bayesian hyperparameter optimization. The thesis showcases novel ways to apply Bayesian optimization for ensemble learning, as well as methodologies to reduce overfitting or optimize more complex spaces. / Dans cette thèse, l’optimisation bayésienne sera analysée et étendue pour divers problèmes reliés à l’apprentissage supervisé. Les contributions de la thèse sont en lien avec 1) la surestimation de la performance de généralisation des hyperparamètres et des modèles résultants d’une optimisation bayésienne, 2) une application de l’optimisation bayésienne pour la génération d’ensembles de classifieurs, et 3) l’optimisation d’espaces avec une structure conditionnelle telle que trouvée dans les problèmes “d’apprentissage machine automatique” (AutoML). Généralement, les algorithmes d’apprentissage automatique ont des paramètres libres, appelés hyperparamètres, permettant de réguler ou de modifier leur comportement à plus haut niveau. Auparavant, ces hyperparamètres étaient choisis manuellement ou par recherche exhaustive. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’utiliser des méthodes plus intelligentes pour l’optimisation d’hyperparamètres, notamment l’optimisation bayésienne. Effectivement, l’optimisation bayésienne est un outil polyvalent pour l’optimisation de fonctions inconnues ou non dérivables, ancré fortement dans la modélisation probabiliste et l’estimation d’incertitude. C’est pourquoi nous adoptons cet outil pour le travail dans cette thèse. La thèse débute avec une introduction de l’optimisation bayésienne avec des processus gaussiens (Gaussian processes, GP) et décrit son application à l’optimisation d’hyperparamètres. Ensuite, des contributions originales sont présentées sur les dangers du surapprentissage durant l’optimisation d’hyperparamètres, où l’on se trouve à mémoriser les plis de validation utilisés pour l’évaluation. Il est démontré que l’optimisation d’hyperparamètres peut en effet mener à une surestimation de la performance de validation, même avec des méthodologies de validation croisée. Des méthodes telles que le rebrassage des plis d’entraînement et de validation sont ensuite proposées pour réduire ce surapprentissage. Une autre méthode prometteuse est démontrée dans l’utilisation de la moyenne a posteriori d’un GP pour effectuer la sélection des hyperparamètres finaux, plutôt que sélectionner directement le modèle avec l’erreur minimale en validation croisée. Les deux approches suggérées ont montré une amélioration significative sur la performance en généralisation pour un banc de test de 118 jeux de données. Les contributions suivantes proviennent d’une application de l’optimisation d’hyperparamètres pour des méthodes par ensembles. Les méthodes dites d’empilage (stacking) ont précédemment été employées pour combiner de multiples classifieurs à l’aide d’un métaclassifieur. Ces méthodes peuvent s’appliquer au résultat final d’une optimisation bayésienne d’hyperparamètres en conservant les meilleurs classifieurs identifiés lors de l’optimisation et en les combinant à la fin de l’optimisation. Notre méthode d’optimisation bayésienne d’ensembles consiste en une modification du pipeline d’optimisation d’hyperparamètres pour rechercher des hyperparamètres produisant de meilleurs modèles pour un ensemble, plutôt que d’optimiser pour la performance d’un modèle seul. L’approche suggérée a l’avantage de ne pas nécessiter plus d’entraînement de modèles qu’une méthode classique d’optimisation bayésienne d’hyperparamètres. Une évaluation empirique démontre l’intérêt de l’approche proposée. Les dernières contributions sont liées à l’optimisation d’espaces d’hyperparamètres plus complexes, notamment des espaces contenant une structure conditionnelle. Ces conditions apparaissent dans l’optimisation d’hyperparamètres lorsqu’un modèle modulaire est défini – certains hyperparamètres sont alors seulement définis si leur composante parente est activée. Un exemple de tel espace de recherche est la sélection de modèles et l’optimisation d’hyperparamètres combinée, maintenant davantage connu sous l’appellation AutoML, où l’on veut à la fois choisir le modèle de base et optimiser ses hyperparamètres. Des techniques et de nouveaux noyaux pour processus gaussiens sont donc proposées afin de mieux gérer la structure de tels espaces d’une manière fondée sur des principes. Les contributions présentées sont appuyées par une autre étude empirique sur de nombreux jeux de données. En résumé, cette thèse consiste en un rassemblement de travaux tous reliés directement à l’optimisation bayésienne d’hyperparamètres. La thèse présente de nouvelles méthodes pour l’optimisation bayésienne d’ensembles de classifieurs, ainsi que des procédures pour réduire le surapprentissage et pour optimiser des espaces d’hyperparamètres structurés.

Nous nous sommes intéressés à la problématique de la communication au sein des systèmes multi-agents en nous inspirant de la nature et plus particulièrement des fourmis qui sont un parfait exemple de l'intégration de l'apprentissage du vivant (ontogenèse) au capital génétique de celui-ci (phylogénie) : l'effet Baldwin.<br />Nous avons choisi de travailler avec des systèmes de classeurs à algorithme génétique pour représenter les agents. Nous avons introduit un nouveau type de système de classeurs à base de connaissance de taille fixe, les systèmes de classeurs de type Pittsburgh simplifié, dont nous avons étudié les propriétés dans un contexte multi-agents de coordination spontanée.<br />Nous avons ensuite proposé avec succès aux agents "homogènes" de communiquer pour échanger leur "connaissance" à l'aide de l'élitisme distribué.<br />Enfin, les agents "hétérogènes" ont échangé efficacement des informations grâce à un modèle minimal de communication que nous avons ancré dans la réalité puis étendu.