De nombreux algorithmes d'Apprentissage automatique ont été proposés afin de résoudre les différentes tâches pouvant être extraites des problèmes de prédiction issus d'un contexte réel. Pour résoudre les différentes tâches pouvant être extraites, la plupart des algorithmes d'Apprentissage automatique se basent d'une manière ou d'une autre sur des relations liant les instances. Les relations entre paires d'instances peuvent être définies en calculant une distance entre les représentations vectorielles des instances. En se basant sur la représentation vectorielle des données, aucune des distances parmi celles communément utilisées n'est assurée d'être représentative de la tâche à résoudre. Dans ce document, nous étudions l'intérêt d'adapter la représentation vectorielle des données à la distance utilisée pour une meilleure résolution de la tâche. Nous nous concentrons plus précisément sur l'algorithme existant résolvant une tâche de classification en se basant sur un graphe. Nous décrivons d'abord un algorithme apprenant une projection des données dans un espace de représentation permettant une résolution, basée sur un graphe, optimale de la classification. En projetant les données dans un espace de représentation dans lequel une distance préalablement définie est représentative de la tâche, nous pouvons surpasser la représentation vectorielle des données lors de la résolution de la tâche. Une analyse théorique de l'algorithme décrit est développée afin de définir les conditions assurant une classification optimale. Un ensemble d'expériences nous permet finalement d'évaluer l'intérêt de l'approche introduite et de nuancer l'analyse théorique. / Machine learning proposes numerous algorithms to solve the different tasks that can be extracted from real world prediction problems. To solve the different concerned tasks, most Machine learning algorithms somehow rely on relationships between instances. Pairwise instances relationships can be obtained by computing a distance between the vectorial representations of the instances. Considering the available vectorial representation of the data, none of the commonly used distances is ensured to be representative of the task that aims at being solved. In this work, we investigate the gain of tuning the vectorial representation of the data to the distance to more optimally solve the task. We more particularly focus on an existing graph-based algorithm for classification task. An algorithm to learn a mapping of the data in a representation space which allows an optimal graph-based classification is first introduced. By projecting the data in a representation space in which the predefined distance is representative of the task, we aim at outperforming the initial vectorial representation of the data when solving the task. A theoretical analysis of the introduced algorithm is performed to define the conditions ensuring an optimal classification. A set of empirical experiments allows us to evaluate the gain of the introduced approach and to temper the theoretical analysis.

Nous nous intéressons au développement de méthodes qui répondent aux difficultés posées par l’analyse des séries temporelles. Nos contributions se focalisent sur deux tâches : la prédiction de séries temporelles et la classification de séries temporelles. Notre première contribution présente une méthode de prédiction et de complétion de séries temporelles multivariées et relationnelles. Le but est d’être capable de prédire simultanément l’évolution d’un ensemble de séries temporelles reliées entre elles selon un graphe, ainsi que de compléter les valeurs manquantes dans ces séries (pouvant correspondre par exemple à une panne d’un capteur pendant un intervalle de temps donné). On se propose d’utiliser des techniques d’apprentissage de représentation pour prédire l’évolution des séries considérées tout en complétant les valeurs manquantes et prenant en compte les relations qu’il peut exister entre elles. Des extensions de ce modèle sont proposées et décrites : d’abord dans le cadre de la prédiction de séries temporelles hétérogènes puis dans le cas de la prédiction de séries temporelles avec une incertitude exprimée. Un modèle de prédiction de séries spatio-temporelles est ensuiteproposé, avec lequel les relations entre les différentes séries peuvent être exprimées de manière plus générale, et où ces dernières peuvent être apprises.Enfin, nous nous intéressons à la classification de séries temporelles. Un modèle d’apprentissage joint de métrique et de classification de séries est proposé et une comparaison expérimentale est menée. / This thesis deals with the development of time series analysis methods. Our contributions focus on two tasks: time series forecasting and classification. Our first contribution presents a method of prediction and completion of multivariate and relational time series. The aim is to be able to simultaneously predict the evolution of a group of time series connected to each other according to a graph, as well as to complete the missing values ​​in these series (which may correspond for example to a failure of a sensor during a given time interval). We propose to use representation learning techniques to forecast the evolution of the series while completing the missing values ​​and taking into account the relationships that may exist between them. Extensions of this model are proposed and described: first in the context of the prediction of heterogeneous time series and then in the case of the prediction of time series with an expressed uncertainty. A prediction model of spatio-temporal series is then proposed, in which the relations between the different series can be expressed more generally, and where these can be learned.Finally, we are interested in the classification of time series. A joint model of metric learning and time-series classification is proposed and an experimental comparison is conducted.

Dans cette thèse, nous étudions comment les méthodes d'apprentissage de représentations peuvent être appliquées à des données générées par l'utilisateur. Nos contributions couvrent trois applications différentes, mais partagent un dénominateur commun: l'extraction des représentations d'utilisateurs concernés. Notre première application est la tâche de recommandation de produits, où les systèmes existant créent des profils utilisateurs et objets qui reflètent les préférences des premiers et les caractéristiques des derniers, en utilisant l'historique. De nos jours, un texte accompagne souvent cette note et nous proposons de l'utiliser pour enrichir les profils extraits. Notre espoir est d'en extraire une connaissance plus fine des goûts des utilisateurs. Nous pouvons, en utilisant ces modèles, prédire le texte qu'un utilisateur va écrire sur un objet. Notre deuxième application est l'analyse des sentiments et, en particulier, la classification de polarité. Notre idée est que les systèmes de recommandation peuvent être utilisés pour une telle tâche. Les systèmes de recommandation et classificateurs de polarité traditionnels fonctionnent sur différentes échelles de temps. Nous proposons deux hybridations de ces modèles: la première a de meilleures performances en classification, la seconde exhibe un vocabulaire de surprise. La troisième et dernière application que nous considérons est la mobilité urbaine. Elle a lieu au-delà des frontières d'Internet, dans le monde physique. Nous utilisons les journaux d'authentification des usagers du métro, enregistrant l'heure et la station d'origine des trajets, pour caractériser les utilisateurs par ses usages et habitudes temporelles. / In this thesis, we study how representation learning methods can be applied to user-generated data. Our contributions cover three different applications but share a common denominator: the extraction of relevant user representations. Our first application is the item recommendation task, where recommender systems build user and item profiles out of past ratings reflecting user preferences and item characteristics. Nowadays, textual information is often together with ratings available and we propose to use it to enrich the profiles extracted from the ratings. Our hope is to extract from the textual content shared opinions and preferences. The models we propose provide another opportunity: predicting the text a user would write on an item. Our second application is sentiment analysis and, in particular, polarity classification. Our idea is that recommender systems can be used for such a task. Recommender systems and traditional polarity classifiers operate on different time scales. We propose two hybridizations of these models: the former has better classification performance, the latter highlights a vocabulary of surprise in the texts of the reviews. The third and final application we consider is urban mobility. It takes place beyond the frontiers of the Internet, in the physical world. Using authentication logs of the subway users, logging the time and station at which users take the subway, we show that it is possible to extract robust temporal profiles.

Le succès des modèles d’apprentissage en profondeur et leur adoption rapide dans de nombreux domaines d’application ont soulevé d’importantes questions sur l’équité de ces modèles lorsqu’ils sont déployés dans le monde réel. Des études récentes ont mis en évidence les biais encodés par les algorithmes d’apprentissage des représentations et ont remis en cause la fiabilité de telles approches pour prendre des décisions. En conséquence, il existe un intérêt croissant pour la compréhension des sources de biais dans l’apprentissage des algorithmes et le développement de stratégies d’atténuation des biais. L’objectif des algorithmes d’atténuation des biais est d’atténuer l’influence des caractéristiques des données sensibles sur les décisions d’éligibilité prises. Les caractéristiques sensibles sont des caractéristiques privées et protégées d’un ensemble de données telles que le sexe ou la race, qui ne devraient pas affecter les décisions de sortie d’éligibilité, c’està-dire les critères qui rendent un individu qualifié ou non qualifié pour une tâche donnée, comme l’octroi de prêts ou l’embauche. Les modèles d’atténuation des biais visent à prendre des décisions d’éligibilité sur des échantillons d’ensembles de données sans biais envers les attributs sensibles des données d’entrée. La difficulté des tâches d’atténuation des biais est souvent déterminée par la distribution de l’ensemble de données, qui à son tour est fonction du déséquilibre potentiel de l’étiquette et des caractéristiques, de la corrélation des caractéristiques potentiellement sensibles avec d’autres caractéristiques des données, du décalage de la distribution de l’apprentissage vers le phase de développement, etc. Sans l’évaluation des modèles d’atténuation des biais dans diverses configurations difficiles, leurs mérites restent incertains. Par conséquent, une analyse systématique qui comparerait différentes approches d’atténuation des biais sous la perspective de différentes mesures d’équité pour assurer la réplication des résultats conclus est nécessaire. À cette fin, nous proposons un cadre unifié pour comparer les approches d’atténuation des biais. Nous évaluons différentes méthodes d’équité formées avec des réseaux de neurones profonds sur un ensemble de données synthétiques commun et un ensemble de données du monde réel pour obtenir de meilleures informations sur le fonctionnement de ces méthodes. En particulier, nous formons environ 3000 modèles différents dans diverses configurations, y compris des configurations de données déséquilibrées et corrélées, pour vérifier les limites des modèles actuels et mieux comprendre dans quelles configurations ils sont sujets à des défaillances. Nos résultats montrent que le biais des modèles augmente à mesure que les ensembles de données deviennent plus déséquilibrés ou que les attributs des ensembles de données deviennent plus corrélés, le niveau de dominance des caractéristiques des ensembles de données sensibles corrélées a un impact sur le biais, et les informations sensibles restent dans la représentation latente même lorsque des algorithmes d’atténuation des biais sont appliqués. Résumant nos contributions - nous présentons un ensemble de données, proposons diverses configurations d’évaluation difficiles et évaluons rigoureusement les récents algorithmes prometteurs d’atténuation des biais dans un cadre commun et publions publiquement cette référence, en espérant que la communauté des chercheurs le considérerait comme un point d’entrée commun pour un apprentissage en profondeur équitable. / The rapid use and success of deep learning models in various application domains have raised significant challenges about the fairness of these models when used in the real world. Recent research has shown the biases incorporated within representation learning algorithms, raising doubts about the dependability of such decision-making systems. As a result, there is a growing interest in identifying the sources of bias in learning algorithms and developing bias-mitigation techniques. The bias-mitigation algorithms aim to reduce the impact of sensitive data aspects on eligibility choices. Sensitive features are private and protected features of a dataset, such as gender of the person or race, that should not influence output eligibility decisions, i.e., the criteria that determine whether or not an individual is qualified for a particular activity, such as lending or hiring. Bias mitigation models are designed to make eligibility choices on dataset samples without bias toward sensitive input data properties. The dataset distribution, which is a function of the potential label and feature imbalance, the correlation of potentially sensitive features with other features in the data, the distribution shift from training to the development phase, and other factors, determines the difficulty of bias-mitigation tasks. Without evaluating bias-mitigation models in various challenging setups, the merits of deep learning approaches to these tasks remain unclear. As a result, a systematic analysis is required to compare different bias-mitigation procedures using various fairness criteria to ensure that the final results are replicated. In order to do so, this thesis offers a single paradigm for comparing bias-mitigation methods. To better understand how these methods work, we compare alternative fairness algorithms trained with deep neural networks on a common synthetic dataset and a real-world dataset. We train around 3000 distinct models in various setups, including imbalanced and correlated data configurations, to validate the present models’ limits and better understand which setups are prone to failure. Our findings show that as datasets become more imbalanced or dataset attributes become more correlated, model bias increases, the dominance of correlated sensitive dataset features influence bias, and sensitive data remains in the latent representation even after bias-mitigation algorithms are applied. In summary, we present a dataset, propose multiple challenging assessment scenarios, rigorously analyse recent promising bias-mitigation techniques in a common framework, and openly disclose this benchmark as an entry point for fair deep learning.

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.

Dans les annales de l'Intelligence Artificielle (IA), la quête incessante pour émuler la cognition humaine dans les machines a sous-tendu l'évolution technologique, repoussant les limites du potentiel humain et des capacités de résolution de problèmes. L'intégration de l'IA a catalysé des progrès remarquables, pénétrant divers domaines et redéfinissant des industries. Cependant, un défi demeure imperturbable : l'obstacle de la généralisation hors de la distribution (OOD). Alors que l'IA triomphe avec des données familières, elle échoue avec des données en dehors de son domaine d'entraînement. En santé, en finance et au-delà, les limitations de l'IA entravent l'adaptation à des scénarios nouveaux. Cette lacune découle de l'écart entre les schémas appris et les caractéristiques causales et invariantes sous-jacentes, entravant l'adaptabilité à des scénarios inexplorés. Cette thèse franchit des étapes significatives pour aborder cette question en innovant et en exploitant des méthodes issues de l'apprentissage de structure causale et de représentation. Le parcours commence par un algorithme novateur d'apprentissage de structure, les ``Reusable Factor Graphs'', qui tire parti des biais inductifs issus de la causalité et de la cognition humaine pour une meilleure généralisation. Ensuite, en explorant l'apprentissage de représentation causale, nous découvrons des représentations désenchevêtrées centrées sur les objets en utilisant une supervision faible basée sur une connaissance partielle de la structure causale des données. Ces connaissances se conjuguent pour préconiser l'apprentissage conjoint de la structure causale et de la représentation. L'architecture proposée, les ``Reusable Slotwise Mechanisms'' (RSM), relie théorie et pratique, démontrant une promesse réelle à travers ses représentations centrées sur les objets et ses mécanismes causaux réutilisables. Cette fusion offre une solution potentielle pour surmonter les limitations de la généralisation OOD en IA. / In the annals of Artificial Intelligence (AI), an enduring quest to emulate human cognition in machines has underpinned technological evolution, driving the boundaries of human potential and problem-solving capabilities. The integration of AI has catalyzed remarkable progress, infiltrating various domains and redefining industries. Yet, a challenge remains unshaken: the hurdle of out-of-distribution (OOD) generalization. While AI triumphs with familiar data, it falters with data outside its training realm. In healthcare, finance, and beyond, AI's limitations hinder adaptation to novel scenarios. This deficiency arises from the gap between learned patterns and underlying causal and invariant features, hindering adaptability to uncharted scenarios. This thesis takes significant steps toward tackling this issue by innovating and leveraging methods from causal structure and representation learning. The journey begins with an innovative structure learning algorithm, Reusable Factor Graphs, leveraging inductive biases from causality and human cognition for improved generalization. Next, delving into causal representation learning, we uncover object-centric disentangled representations using weak supervision from partial knowledge of the causal structure of data. These insights synergize in advocating joint learning of causal structure and representation. The proposed Reusable Slotwise Mechanisms (RSM) architecture bridges theory and practice, demonstrating real-world promise through its object-centric representations and reusable causal mechanisms. This fusion offers a potential solution for tackling OOD generalization limitations in AI.

Ces dernières années, le domaine de l’apprentissage profond a connu des progrès énormes dans des applications allant de la génération d’images, détection d’objets, modélisation du langage à la réponse aux questions visuelles. Les approches classiques telles que l’apprentissage supervisé nécessitent de grandes quantités de données étiquetées et spécifiques à la tâches. Cependant, celles-ci sont parfois coûteuses, peu pratiques, ou trop longues à collecter. La modélisation efficace en données, qui comprend des techniques comme l’apprentissage few-shot (à partir de peu d’exemples) et l’apprentissage self-supervised (auto-supervisé), tentent de remédier au manque de données spécifiques à la tâche en exploitant de grandes quantités de données plus “générales”. Les progrès de l’apprentissage profond, et en particulier de l’apprentissage few-shot, s’appuient sur les benchmarks (suites d’évaluation), les métriques d’évaluation et les jeux de données, car ceux-ci sont utilisés pour tester et départager différentes méthodes sur des tâches précises, et identifier l’état de l’art. Cependant, du fait qu’il s’agit de versions idéalisées de la tâche à résoudre, les benchmarks sont rarement équivalents à la tâche originelle, et peuvent avoir plusieurs limitations qui entravent leur rôle de sélection des directions de recherche les plus prometteuses. De plus, la définition de métriques d’évaluation pertinentes peut être difficile, en particulier dans le cas de sorties structurées et en haute dimension, telles que des images, de l’audio, de la parole ou encore du texte. Cette thèse discute des limites et des perspectives des benchmarks existants, des fonctions de coût (training losses) et des métriques d’évaluation (evaluation metrics), en mettant l’accent sur la modélisation générative - les Réseaux Antagonistes Génératifs (GANs) en particulier - et la modélisation efficace des données, qui comprend l’apprentissage few-shot et self-supervised. La première contribution est une discussion de la tâche de modélisation générative, suivie d’une exploration des propriétés théoriques et empiriques des fonctions de coût des GANs. La deuxième contribution est une discussion sur la limitation des few-shot classification benchmarks, certains ne nécessitant pas de généralisation à de nouvelles sémantiques de classe pour être résolus, et la proposition d’une méthode de base pour les résoudre sans étiquettes en phase de testing. La troisième contribution est une revue sur les méthodes few-shot et self-supervised de détection d’objets , qui souligne les limites et directions de recherche prometteuses. Enfin, la quatrième contribution est une méthode efficace en données pour la description de vidéo qui exploite des jeux de données texte et vidéo non supervisés. / In recent years, the field of deep learning has seen tremendous progress for applications ranging from image generation, object detection, language modeling, to visual question answering. Classic approaches such as supervised learning require large amounts of task-specific and labeled data, which may be too expensive, time-consuming, or impractical to collect. Data-efficient methods, such as few-shot and self-supervised learning, attempt to deal with the limited availability of task-specific data by leveraging large amounts of general data. Progress in deep learning, and in particular, few-shot learning, is largely driven by the relevant benchmarks, evaluation metrics, and datasets. They are used to test and compare different methods on a given task, and determine the state-of-the-art. However, due to being idealized versions of the task to solve, benchmarks are rarely equivalent to the original task, and can have several limitations which hinder their role of identifying the most promising research directions. Moreover, defining meaningful evaluation metrics can be challenging, especially in the case of high-dimensional and structured outputs, such as images, audio, speech, or text. This thesis discusses the limitations and perspectives of existing benchmarks, training losses, and evaluation metrics, with a focus on generative modeling—Generative Adversarial Networks (GANs) in particular—and data-efficient modeling, which includes few-shot and self-supervised learning. The first contribution is a discussion of the generative modeling task, followed by an exploration of theoretical and empirical properties of the GAN loss. The second contribution is a discussion of a limitation of few-shot classification benchmarks, which is that they may not require class semantic generalization to be solved, and the proposal of a baseline method for solving them without test-time labels. The third contribution is a survey of few-shot and self-supervised object detection, which points out the limitations and promising future research for the field. Finally, the fourth contribution is a data-efficient method for video captioning, which leverages unsupervised text and video datasets, and explores several multimodal pretraining strategies.