L'apprentissage auto-surveillé (AAS), c'est-à-dire l'apprentissage de connaissances en exploitant la structure intrinsèque présente dans un ensemble de données non étiquettées, a beaucoup fait progresser l'apprentissage automatique dans la dernière décennie, et plus particulièrement dans les dernières deux années en vision informatique. Dans cet ouvrage, nous nous servons de l'AAS comme outil dans deux champs applicatifs: Pour interpréter efficacement les ensembles de données et les décisions prises par des modèles statistiques, et pour pré-entrainer un modèle d'apprentissage par renforcement pour grandement augmenter l'efficacité de son échantillonnage dans son contexte d'entraînement. Le Chapitre 1 présente les connaissances de fond nécessaires à la compréhension du reste du mémoire. Il offre un aperçu de l'apprentissage automatique, de l'apprentissage profond, de l'apprentissage auto-surveillé et de l'apprentissage par renforcement (profond). Le Chapitre 2 se détourne brièvement du sujet de l'auto-surveillance pour étudier comment le phénomène de la mémorisation se manifeste dans les réseaux de neurones profonds. Les observations que nous ferons seront alors utilisées comme pièces justificatives pour les travaux présentés dans le Chapitre 3. Ce chapitre aborde la manière dont l'auto-surveillance peut être utilisée pour découvrir efficacement les régularités structurelles présentes dans un ensemble de données d'entraînement, estimer le degré de mémorisation de celui-ci par le modèle, et l'influence d'un échantillon d'entraînement sur les résultats pour un échantillon-test. Nous passons aussi en revue de récents travaux touchant à l'importance de mémoriser la ``longue traîne'' d'un jeu de données. Le Chapitre 4 fait la démonstration d'une combinaison d'objectifs de pré-entraînement AAS axés sur les caractéristiques des données en apprentissage par renforcement, de ce fait élevant l'efficacité d'échantillonnage à un niveau comparable à celui d'un humain. De plus, nous montrons que l'AAS ouvre la porte à de plus grands modèles, ce qui a été par le passé un défi à surmonter en apprentissage par renforcement profond. Finalement, le Chapitre 5 conclut l'ouvrage avec un bref survol des contributions scientifiques et propose quelque avenues pour des recherches poussées dans le futur. / Self-Supervised Learning (SSL), or learning representations of data by exploiting inherent structure present in it without labels, has driven significant progress in machine learning over the past decade, and in computer vision in particular over the past two years. In this work, we explore applications of SSL towards two separate goals - first, as a tool for efficiently interpreting datasets and model decisions, and second, as a tool for pretraining in reinforcement learning (RL) to greatly advance sample efficiency in that setting. Chapter 1 introduces background material necessary to understand the remainder of this thesis. In particular, it provides an overview of Machine Learning, Deep Learning, Self-Supervised Representation Learning, and (Deep) Reinforcement Learning. Chapter 2 briefly detours away from this thesis' focus on self-supervision, to examine how the phenomena of memorization manifests in deep neural networks. These results are then used to partially justify work presented in Chapter 3, which examines how self-supervision can be used to efficiently uncover structural regularity in training datasets, and to estimate training memorization and the influence of training samples on test samples. Recent experimental work on understanding the importance of memorizing the long-tail of data is also revisited. Chapter 4 demonstrates how a combination of SSL pretraining objectives designed for the structure of data in RL can greatly improve sample efficiency to nearly human-level performance. Furthermore, it is shown that SSL enables the use of larger models, which has historically been a challenge in deep RL. Chapter 5 concludes by reviewing the contributions of this work, and discusses future directions.

Les formes, les surfaces, les événements et les objets (vivants et non vivants) constituent le monde. L'intelligence des agents naturels, tels que les humains, va au-delà de la simple reconnaissance de formes. Nous excellons à construire des représentations et à distiller des connaissances pour comprendre et déduire la structure du monde. Spécifiquement, le développement de telles capacités de raisonnement peut se produire même avec une supervision limitée. D'autre part, malgré son développement phénoménal, les succès majeurs de l'apprentissage automatique, en particulier des modèles d'apprentissage profond, se situent principalement dans les tâches qui ont accès à de grands ensembles de données annotées. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles solutions pour aider à combler cette lacune en permettant aux modèles d'apprentissage automatique d'apprendre la structure et de permettre un raisonnement efficace en présence de tâches faiblement supervisés. Le thème récurrent de la thèse tente de s'articuler autour de la question « Comment un système perceptif peut-il apprendre à organiser des informations sensorielles en connaissances utiles sous une supervision limitée ? » Et il aborde les thèmes de la géométrie, de la composition et des associations dans quatre articles distincts avec des applications à la vision par ordinateur (CV) et à l'apprentissage par renforcement (RL). Notre première contribution ---Pix2Shape---présente une approche basée sur l'analyse par synthèse pour la perception. Pix2Shape exploite des modèles génératifs probabilistes pour apprendre des représentations 3D à partir d'images 2D uniques. Le formalisme qui en résulte nous offre une nouvelle façon de distiller l'information d'une scène ainsi qu'une représentation puissantes des images. Nous y parvenons en augmentant l'apprentissage profond non supervisé avec des biais inductifs basés sur la physique pour décomposer la structure causale des images en géométrie, orientation, pose, réflectance et éclairage. Notre deuxième contribution ---MILe--- aborde les problèmes d'ambiguïté dans les ensembles de données à label unique tels que ImageNet. Il est souvent inapproprié de décrire une image avec un seul label lorsqu'il est composé de plus d'un objet proéminent. Nous montrons que l'intégration d'idées issues de la littérature linguistique cognitive et l'imposition de biais inductifs appropriés aident à distiller de multiples descriptions possibles à l'aide d'ensembles de données aussi faiblement étiquetés. Ensuite, nous passons au paradigme d'apprentissage par renforcement, et considérons un agent interagissant avec son environnement sans signal de récompense. Notre troisième contribution ---HaC--- est une approche non supervisée basée sur la curiosité pour apprendre les associations entre les modalités visuelles et tactiles. Cela aide l'agent à explorer l'environnement de manière autonome et à utiliser davantage ses connaissances pour s'adapter aux tâches en aval. La supervision dense des récompenses n'est pas toujours disponible (ou n'est pas facile à concevoir), dans de tels cas, une exploration efficace est utile pour générer un comportement significatif de manière auto-supervisée. Pour notre contribution finale, nous abordons l'information limitée contenue dans les représentations obtenues par des agents RL non supervisés. Ceci peut avoir un effet néfaste sur la performance des agents lorsque leur perception est basée sur des images de haute dimension. Notre approche a base de modèles combine l'exploration et la planification sans récompense pour affiner efficacement les modèles pré-formés non supervisés, obtenant des résultats comparables à un agent entraîné spécifiquement sur ces tâches. Il s'agit d'une étape vers la création d'agents capables de généraliser rapidement à plusieurs tâches en utilisant uniquement des images comme perception. / Shapes, surfaces, events, and objects (living and non-living) constitute the world. The intelligence of natural agents, such as humans is beyond pattern recognition. We excel at building representations and distilling knowledge to understand and infer the structure of the world. Critically, the development of such reasoning capabilities can occur even with limited supervision. On the other hand, despite its phenomenal development, the major successes of machine learning, in particular, deep learning models are primarily in tasks that have access to large annotated datasets. In this dissertation, we propose novel solutions to help address this gap by enabling machine learning models to learn the structure and enable effective reasoning in the presence of weakly supervised settings. The recurring theme of the thesis tries to revolve around the question of "How can a perceptual system learn to organize sensory information into useful knowledge under limited supervision?" And it discusses the themes of geometry, compositions, and associations in four separate articles with applications to computer vision (CV) and reinforcement learning (RL). Our first contribution ---Pix2Shape---presents an analysis-by-synthesis based approach(also referred to as inverse graphics) for perception. Pix2Shape leverages probabilistic generative models to learn 3D-aware representations from single 2D images. The resulting formalism allows us to perform a novel view synthesis of a scene and produce powerful representations of images. We achieve this by augmenting unsupervised learning with physically based inductive biases to decompose a scene structure into geometry, pose, reflectance and lighting. Our Second contribution ---MILe--- addresses the ambiguity issues in single-labeled datasets such as ImageNet. It is often inappropriate to describe an image with a single label when it is composed of more than one prominent object. We show that integrating ideas from Cognitive linguistic literature and imposing appropriate inductive biases helps in distilling multiple possible descriptions using such weakly labeled datasets. Next, moving into the RL setting, we consider an agent interacting with its environment without a reward signal. Our third Contribution ---HaC--- is a curiosity based unsupervised approach to learning associations between visual and tactile modalities. This aids the agent to explore the environment in an analogous self-guided fashion and further use this knowledge to adapt to downstream tasks. In the absence of reward supervision, intrinsic movitivation is useful to generate meaningful behavior in a self-supervised manner. In our final contribution, we address the representation learning bottleneck in unsupervised RL agents that has detrimental effect on the performance on high-dimensional pixel based inputs. Our model-based approach combines reward-free exploration and planning to efficiently fine-tune unsupervised pre-trained models, achieving comparable results to task-specific baselines. This is a step towards building agents that can generalize quickly on more than a single task using image inputs alone.

Cette thèse consiste en une série d’approches pour la modélisation de décision structurée - c’est-à-dire qu’elle propose des solutions utilisant des modèles génératifs pour des tâches intégrant plusieurs entrées et sorties, ces entrées et sorties étant dictées par des interactions complexes entre leurs éléments. Un aspect crucial de ces problèmes est la présence en plus d’un résultat correct, des résultats structurellement différents mais considérés tout aussi corrects, résultant d’une grande mais nécessaire incertitude sur les sorties du système. Cette thèse présente quatre articles sur ce sujet, se concentrent en particulier sur le domaine de la synthèse vocale à partir de texte, génération symbolique de musique, traitement de texte, reconnaissance automatique de la parole, et apprentissage de représentations pour la parole et le texte. Chaque article présente une approche particulière à un problème dans ces domaines respectifs, en proposant et étudiant des architectures profondes pour ces domaines. Bien que ces techniques d’apprentissage profond utilisées dans ces articles sont suffisamment versatiles et expressives pour être utilisées dans d’autres domaines, nous resterons concentrés sur les applications décrites dans chaque article. Le premier article présente une approche permettant le contrôle détaillé, au niveau phonétique et symbolique, d’un système de synthèse vocale, en utilisant une méthode d’échange efficace permettant de combiner des représentations à un niveau lexical. Puisque cette combinaison permet un contrôle proportionné sur les conditions d’entrée, et améliore les prononciations faisant uniquement usage de caractères, ce système de combinaison pour la synthèse vocale a été préféré durant des tests A/B par rapport à des modèles de référence équivalents utilisant les mêmes modalités. Le deuxième article se concentre sur un autre système de synthèse vocale, cette fois-ci centré sur la construction d’une représentation multi-échelle de la parole à travers une décomposition structurée des descripteurs audio. En particulier, l’intérêt de ce travail est dans sa méthodologie économe en calcul malgré avoir été bâti à partir de travaux antérieurs beaucoup plus demandant en ressources de calcul. Afin de bien pouvoir faire de la synthèse vocale sous ces contraintes computationelles, plusieurs nouvelles composantes ont été conçues et intégrées à ce qui devient un modèle efficace de synthèse vocale. Le troisième article un nouveau modèle auto-régressif pour modéliser des chaînes de symboles. Ce modèle fait usage de prédictions et d’estimations itérative et répétées afin de construire une sortie structurée respectant plusieurs contraintes correspondant au domaine sous-jacent. Ce modèle est testé dans le cadre de la génération symbolique de musique et la modélisation de texte, faisant preuve d’excellentes performances en particulier quand la quantité de données s’avère limitée. Le dernier article de la thèse se concentre sur l’étude des représentations pour la parole et le texte apprise à partir d’un système de reconnaissance vocale d’un travail antérieur. À travers une série d’études systématiques utilisant des modèles pré-entraînés de texte et de durée, relations qualitatives entre les données de texte et de parole, et études de performance sur la récupération transmodal “few shot”, nous exposons plusieurs propriétés essentielles sous-jacent à la performance du système, ouvrant la voie pour des développements algorithmiques futurs. De plus, les différents modèles résultants de cette étude obtiennent des résultats impressionnants sur un nombre de tâches de référence utilisant des modèles pré-entraîné transféré sans modification. / This thesis presents a sequence of approaches to structured decision modeling - that is, proposing generative solutions to tasks with multiple inputs and outputs, featuring complicated interactions between input elements and output elements. Crucially, these problems also include a high amount of uncertainty about the correct outcome and many largely equivalent but structurally different outcomes can be considered equally correct. This thesis presents four articles about these topics, particularly focusing on the domains of text-to-speech synthesis, symbolic music generation, text processing, automatic speech recognition, and speech-text representation learning. Each article presents a particular approach to solving problems in these respective domains, focused on proposing and understanding deep learning architectures for these domains. The deep learning techniques used in these articles are broadly applicable, flexible, and powerful enough that these general approaches may find application to other areas however we remain focused on the domains discussed in each respective article. The first article presents an approach allowing for flexible phonetic and character control of a text-to-speech system, utilizing an efficient "swap-out" method for blending representations at the word level. This blending allows for smooth control over input conditions, and also strengthens character only pronunciations, resulting in a preference for a blended text-to-speech system in A/B testing, compared to an equivalent baselines even when using the same input information modalities. The second article focuses on another text-to-speech system, this time centered on building multi-scale representations of speech audio using a structured decomposition of audio features. Particularly this work focuses on a compute efficient methodology, while building on prior work which requires a much greater computational budget than the proposed system. In order to effectively perform text-to-speech synthesis under these computational constraints, a number of new components are constructed and integrated, resulting in an efficient model for text-to-speech synthesis. The third article presents a new non-autoregressive model for modeling symbolic sequences. This model uses iterative prediction and re-estimation in order to build structured outputs, which respect numerous constraints in the underlying sequence domain. This model is applied to symbolic music modeling and text modeling, showing excellent performance particularly in limited data generative settings. The final article in this thesis focuses on understanding the speech-text representations learned by a text-injected speech recognition system from prior literature. Through a systematic series of studies utilizing pre-trained text and duration models, qualitative relations between text and speech sequences, and performance studies in few-shot cross-modal retrieval, we reveal a number of crucial properties underlying the performance of this system, paving the way for future algorithmic development. In addition, model variants built during this study achieve impressive performance results on a number of benchmark tasks using partially frozen and transferred parameters.

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

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

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Humans' incredible capacity to model the complexity of the physical world is possible because they cast this complexity as the composition of simpler entities and rules to process them. Extensive work in cognitive science indeed shows that human perception and reasoning ability is structured around objects. Motivated by this observation, a growing number of recent work focused on entity-centric approaches to learning representation and their potential to facilitate downstream tasks. In the first contribution, we show how an entity-centric approach to learning a transition model allows us to extract meaningful visual entities and to learn transition rules that achieve better compositional generalization. In the second contribution, we show how an entity-centric approach to generating graphs allows us to design a model for conditional graph generation that permits direct optimisation of the graph properties. We investigate the performance of our model in a prototype-based molecular graph generation task. In this task, called lead optimization in drug discovery, we wish to adjust a few physico-chemical properties of a molecule that has proven efficient in vitro in order to make a drug out of it. / L'incroyable capacité des humains à modéliser la complexité du monde physique est rendue possible par la décomposition qu'ils en font en un ensemble d'entités et de règles simples. De nombreux travaux en sciences cognitives montre que la perception humaine et sa capacité à raisonner est essentiellement centrée sur la notion d'objet. Motivés par cette observation, de récents travaux se sont intéressés aux différentes approches d'apprentissage de représentations centrées sur des entités et comment ces représentations peuvent être utilisées pour résoudre plus facilement des tâches sous-jacentes. Dans la première contribution on montre comment une architecture centrée sur la notion d'entité va permettre d'extraire des entités visuelles interpretables et d'apprendre un modèle du monde plus robuste aux différentes configurations d'objets. Dans la deuxième contribution on s’intéresse à un modèle de génération de graphes dont l'architecture est également centrée sur la notion d'entités et comment cette architecture rend plus facile l'apprentissage d'une génération conditionelle à certaines propriétés du graphe. On s’intéresse plus particulièrement aux applications en découverte de médicaments. Dans cette tâche, on souhaite optimiser certaines propriétés physico-chmiques du graphe d'une molécule qui a été efficace in-vitro et dont on veut faire un médicament.

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Les modèles de réseaux de neurones et en particulier les modèles profonds sont aujourd'hui l'un des modèles à l'état de l'art en apprentissage automatique et ses applications. Les réseaux de neurones profonds récents possèdent de nombreuses couches cachées ce qui augmente significativement le nombre total de paramètres. L'apprentissage de ce genre de modèles nécessite donc un grand nombre d'exemples étiquetés, qui ne sont pas toujours disponibles en pratique. Le sur-apprentissage est un des problèmes fondamentaux des réseaux de neurones, qui se produit lorsque le modèle apprend par coeur les données d'apprentissage, menant à des difficultés à généraliser sur de nouvelles données. Le problème du sur-apprentissage des réseaux de neurones est le thème principal abordé dans cette thèse. Dans la littérature, plusieurs solutions ont été proposées pour remédier à ce problème, tels que l'augmentation de données, l'arrêt prématuré de l'apprentissage ("early stopping"), ou encore des techniques plus spécifiques aux réseaux de neurones comme le "dropout" ou la "batch normalization". Dans cette thèse, nous abordons le sur-apprentissage des réseaux de neurones profonds sous l'angle de l'apprentissage de représentations, en considérant l'apprentissage avec peu de données. Pour aboutir à cet objectif, nous avons proposé trois différentes contributions. La première contribution, présentée dans le chapitre 2, concerne les problèmes à sorties structurées dans lesquels les variables de sortie sont à grande dimension et sont généralement liées par des relations structurelles. Notre proposition vise à exploiter ces relations structurelles en les apprenant de manière non-supervisée avec des autoencodeurs. Nous avons validé notre approche sur un problème de régression multiple appliquée à la détection de points d'intérêt dans des images de visages. Notre approche a montré une accélération de l'apprentissage des réseaux et une amélioration de leur généralisation. La deuxième contribution, présentée dans le chapitre 3, exploite la connaissance a priori sur les représentations à l'intérieur des couches cachées dans le cadre d'une tâche de classification. Cet à priori est basé sur la simple idée que les exemples d'une même classe doivent avoir la même représentation interne. Nous avons formalisé cet à priori sous la forme d'une pénalité que nous avons rajoutée à la fonction de perte. Des expérimentations empiriques sur la base MNIST et ses variantes ont montré des améliorations dans la généralisation des réseaux de neurones, particulièrement dans le cas où peu de données d'apprentissage sont utilisées. Notre troisième et dernière contribution, présentée dans le chapitre 4, montre l'intérêt du transfert d'apprentissage ("transfer learning") dans des applications dans lesquelles peu de données d'apprentissage sont disponibles. L'idée principale consiste à pré-apprendre les filtres d'un réseau à convolution sur une tâche source avec une grande base de données (ImageNet par exemple), pour les insérer par la suite dans un nouveau réseau sur la tâche cible. Dans le cadre d'une collaboration avec le centre de lutte contre le cancer "Henri Becquerel de Rouen", nous avons construit un système automatique basé sur ce type de transfert d'apprentissage pour une application médicale où l'on dispose d’un faible jeu de données étiquetées. Dans cette application, la tâche consiste à localiser la troisième vertèbre lombaire dans un examen de type scanner. L’utilisation du transfert d’apprentissage ainsi que de prétraitements et de post traitements adaptés a permis d’obtenir des bons résultats, autorisant la mise en oeuvre du modèle en routine clinique. / Neural network models and deep models are one of the leading and state of the art models in machine learning. They have been applied in many different domains. Most successful deep neural models are the ones with many layers which highly increases their number of parameters. Training such models requires a large number of training samples which is not always available. One of the fundamental issues in neural networks is overfitting which is the issue tackled in this thesis. Such problem often occurs when the training of large models is performed using few training samples. Many approaches have been proposed to prevent the network from overfitting and improve its generalization performance such as data augmentation, early stopping, parameters sharing, unsupervised learning, dropout, batch normalization, etc. In this thesis, we tackle the neural network overfitting issue from a representation learning perspective by considering the situation where few training samples are available which is the case of many real world applications. We propose three contributions. The first one presented in chapter 2 is dedicated to dealing with structured output problems to perform multivariate regression when the output variable y contains structural dependencies between its components. Our proposal aims mainly at exploiting these dependencies by learning them in an unsupervised way. Validated on a facial landmark detection problem, learning the structure of the output data has shown to improve the network generalization and speedup its training. The second contribution described in chapter 3 deals with the classification task where we propose to exploit prior knowledge about the internal representation of the hidden layers in neural networks. This prior is based on the idea that samples within the same class should have the same internal representation. We formulate this prior as a penalty that we add to the training cost to be minimized. Empirical experiments over MNIST and its variants showed an improvement of the network generalization when using only few training samples. Our last contribution presented in chapter 4 showed the interest of transfer learning in applications where only few samples are available. The idea consists in re-using the filters of pre-trained convolutional networks that have been trained on large datasets such as ImageNet. Such pre-trained filters are plugged into a new convolutional network with new dense layers. Then, the whole network is trained over a new task. In this contribution, we provide an automatic system based on such learning scheme with an application to medical domain. In this application, the task consists in localizing the third lumbar vertebra in a 3D CT scan. A pre-processing of the 3D CT scan to obtain a 2D representation and a post-processing to refine the decision are included in the proposed system. This work has been done in collaboration with the clinic "Rouen Henri Becquerel Center" who provided us with data

Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant dans le domaine de l'apprentissage profond pour le traitement du langage naturel. Plusieurs étapes importantes ont été franchies au cours de la dernière décennie dans divers problèmes, tels que les systèmes de questions-réponses, le résumé de texte, l'analyse des sentiments, etc. Le pré-entraînement des modèles de langage dans une manière auto-supervisé est une partie importante de ces réalisations. Cette thèse explore un ensemble de méthodes auto-supervisées pour apprendre des représentations de phrases à partir d'une grande quantité de données non étiquetées. Nous introduisons également un nouveau modèle de mémoire augmentée pour apprendre des représentations basées sur une structure d'arbre. Nous évaluons et analysons ces représentations sur différentes tâches. Dans le chapitre 1, nous introduisons les bases des réseaux neuronaux avant et des réseaux neuronaux récurrents. Le chapitre se poursuit avec la discussion de l'algorithme de rétropropagation pour former les réseaux neuronaux de flux avant, et la rétropropagation à travers l'algorithme de temps pour former les réseaux neuronaux récurrents. Nous discutons également de trois approches différentes dans le domaine de l’apprentissage de représentations, notamment l'apprentissage supervisé, l'apprentissage non supervisé et une approche relativement nouvelle appelée apprentissage auto-supervisé. Dans le chapitre 2, nous discutons des principes fondamentaux du traitement automatique du langage naturel profond. Plus précisément, nous couvrons les représentations de mots, les représentations de phrases et la modélisation du langage. Nous nous concentrons sur l'évaluation et l'état actuel de la littérature pour ces concepts. Nous finissons le chapitre en discutant le pré-entraînement à grande échelle et le transfert de l’apprentissage dans la langue. Dans le chapitre 3, nous étudions un ensemble de tâches auto-supervisées qui prend avantage de l’estimation contrastive bruitée afin d'apprendre des représentations de phrases à l'aide de données non étiquetées. Nous entraînons notre modèle sur un grand corpus et évaluons nos représentations de phrases apprises sur un ensemble de tâches du langage naturel en aval provenant du cadre SentEval. Notre modèle entraîné sur les tâches proposées surpasse les méthodes non-supervisées sur un sous-ensemble de tâches de SentEval. Dans les chapitres 4, nous introduisons un modèle de mémoire augmentée appelé Ordered Memory, qui présente plusieurs améliorations par rapport aux réseaux de neurones récurrents augmentés par pile traditionnels. Nous introduisons un nouveau mécanisme d'attention de Stick-breaking inspiré par les Ordered Neurons [shen et. al., 2019] pour écrire et effacer la mémoire. Une nouvelle cellule récursive à portes est également introduite pour composer des représentations de bas niveau en des représentations de haut niveau. Nous montrons que ce modèle fonctionne bien sur la tâche d'inférence logique et la tâche ListOps, et il montre également de fortes propriétés de généralisation dans ces tâches. Enfin, nous évaluons notre modèle sur les tâches (binaire et multi-classe) SST (Stanford Sentiment Treebank) et rapportons des résultats comparables à l’état de l’art sur ces tâches. / In chapter 1, we introduce the basics of feed forward neural networks and recurrent neural networks. The chapter continues with the discussion of the backpropagation algorithm to train feed forward neural networks, and the backpropagation through time algorithm to train recurrent neural networks. We also discuss three different approaches in learning representations, namely supervised learning, unsupervised learning, and a relatively new approach called self-supervised learning. In chapter 2, we talk about the fundamentals of deep natural language processing. Specifically, we cover word representations, sentence representations, and language modelling. We focus on the evaluation and current state of the literature for these concepts. We close the chapter by discussing large scale pre-training and transfer learning in language. In chapter 3, we investigate a set of self-supervised tasks that take advantage of noise contrastive estimation in order to learn sentence representations using unlabeled data. We train our model on a large corpora and evaluate our learned sentence representations on a set of downstream natural language tasks from the SentEval framework. Our model trained on the proposed tasks outperforms unsupervised methods on a subset of tasks from SentEval. In chapter 4, we introduce a memory augmented model called Ordered Memory with several improvements over traditional stack-augmented recurrent neural networks. We introduce a new Stick-breaking attention mechanism inspired by Ordered Neurons [Shen et.al., 2019] to write in and erase from the memory. A new Gated Recursive Cell is also introduced to compose low level representations into higher level ones. We show that this model performs well on the logical inference task and the ListOps task, and it also shows strong generalization properties in these tasks. Finally, we evaluate our model on the SST (Stanford Sentiment Treebank) tasks (binary and fine-grained) and report results that are comparable with state-of-the-art on these tasks.