Les méthodes ensemblistes constituent un sujet de recherche très populaire au cours de la dernière décennie. Leur succès découle en grande partie de leurs solutions attrayantes pour résoudre différents problèmes d'apprentissage intéressants parmi lesquels l'amélioration de l'exactitude d'une prédiction, la sélection de variables, l'apprentissage de métrique, le passage à l'échelle d'algorithmes inductifs, l'apprentissage de multiples jeux de données physiques distribués, l'apprentissage de flux de données soumis à une dérive conceptuelle, etc... Dans cette thèse nous allons dans un premier temps présenter une comparaison empirique approfondie de 19 algorithmes ensemblistes d'apprentissage supervisé proposé dans la littérature sur différents jeux de données de référence. Non seulement nous allons comparer leurs performances selon des métriques standards de performances (Exactitude, AUC, RMS) mais également nous analyserons leur diagrammes kappa-erreur, la calibration et les propriétés biais-variance. Nous allons aborder ensuite la problématique d'amélioration des ensembles de modèles par la sélection dynamique d'ensembles (dynamic ensemble selection, DES). La sélection dynamique est un sous-domaine de l'apprentissage ensembliste où pour une donnée d'entrée x, le meilleur sous-ensemble en terme de taux de réussite est sélectionné dynamiquement. L'idée derrière les approches DES est que différents modèles ont différentes zones de compétence dans l'espace des instances. La plupart des méthodes proposées estime l'importance individuelle de chaque classifieur faible au sein d'une zone de compétence habituellement déterminée par les plus proches voisins dans un espace euclidien. Nous proposons et étudions dans cette thèse deux nouvelles approches DES. La première nommée ST-DES est conçue pour les ensembles de modèles à base d'arbres de décision. Cette méthode sélectionne via une métrique supervisée interne à l'arbre, idée motivée par le problème de la malédiction de la dimensionnalité : pour les jeux de données avec un grand nombre de variables, les métriques usuelles telle la distance euclidienne sont moins pertinentes. La seconde approche, PCC-DES, formule la problématique DES en une tâche d'apprentissage multi-label avec une fonction coût spécifique. Ici chaque label correspond à un classifieur et une base multi-label d'entraînement est constituée sur l'habilité de chaque classifieur de classer chaque instance du jeu de données d'origine. Cela nous permet d'exploiter des récentes avancées dans le domaine de l'apprentissage multi-label. PCC-DES peut être utilisé pour les approches ensemblistes homogènes et également hétérogènes. Son avantage est de prendre en compte explicitement les corrélations entre les prédictions des classifieurs. Ces algorithmes sont testés sur un éventail de jeux de données de référence et les résultats démontrent leur efficacité faces aux dernières alternatives de l'état de l'art / Ensemble methods has been a very popular research topic during the last decade. Their success arises largely from the fact that they offer an appealing solution to several interesting learning problems, such as improving prediction accuracy, feature selection, metric learning, scaling inductive algorithms to large databases, learning from multiple physically distributed data sets, learning from concept-drifting data streams etc. In this thesis, we first present an extensive empirical comparison between nineteen prototypical supervised ensemble learning algorithms, that have been proposed in the literature, on various benchmark data sets. We not only compare their performance in terms of standard performance metrics (Accuracy, AUC, RMS) but we also analyze their kappa-error diagrams, calibration and bias-variance properties. We then address the problem of improving the performances of ensemble learning approaches with dynamic ensemble selection (DES). Dynamic pruning is the problem of finding given an input x, a subset of models among the ensemble that achieves the best possible prediction accuracy. The idea behind DES approaches is that different models have different areas of expertise in the instance space. Most methods proposed for this purpose estimate the individual relevance of the base classifiers within a local region of competence usually given by the nearest neighbours in the euclidean space. We propose and discuss two novel DES approaches. The first, called ST-DES, is designed for decision tree based ensemble models. This method prunes the trees using an internal supervised tree-based metric; it is motivated by the fact that in high dimensional data sets, usual metrics like euclidean distance suffer from the curse of dimensionality. The second approach, called PCC-DES, formulates the DES problem as a multi-label learning task with a specific loss function. Labels correspond to the base classifiers and multi-label training examples are formed based on the ability of each classifier to correctly classify each original training example. This allows us to take advantage of recent advances in the area of multi-label learning. PCC-DES works on homogeneous and heterogeneous ensembles as well. Its advantage is to explicitly capture the dependencies between the classifiers predictions. These algorithms are tested on a variety of benchmark data sets and the results demonstrate their effectiveness against competitive state-of-the-art alternatives

Différents types de risques existent dans le domaine financier, tels que le financement du terrorisme, le blanchiment d’argent, la fraude de cartes de crédit, la fraude d’assurance, les risques de crédit, etc. Tout type de fraude peut entraîner des conséquences catastrophiques pour des entités telles que les banques ou les compagnies d’assurances. Ces risques financiers sont généralement détectés à l'aide des algorithmes de classification. Dans les problèmes de classification, la distribution asymétrique des classes, également connue sous le nom de déséquilibre de classe (class imbalance), est un défi très commun pour la détection des fraudes. Des approches spéciales d'exploration de données sont utilisées avec les algorithmes de classification traditionnels pour résoudre ce problème. Le problème de classes déséquilibrées se produit lorsque l'une des classes dans les données a beaucoup plus d'observations que l’autre classe. Ce problème est plus vulnérable lorsque l'on considère dans le contexte des données massives (Big Data). Les données qui sont utilisées pour construire les modèles contiennent une très petite partie de groupe minoritaire qu’on considère positifs par rapport à la classe majoritaire connue sous le nom de négatifs. Dans la plupart des cas, il est plus délicat et crucial de classer correctement le groupe minoritaire plutôt que l'autre groupe, comme la détection de la fraude, le diagnostic d’une maladie, etc. Dans ces exemples, la fraude et la maladie sont les groupes minoritaires et il est plus délicat de détecter un cas de fraude en raison de ses conséquences dangereuses qu'une situation normale. Ces proportions de classes dans les données rendent très difficile à l'algorithme d'apprentissage automatique d'apprendre les caractéristiques et les modèles du groupe minoritaire. Ces algorithmes seront biaisés vers le groupe majoritaire en raison de leurs nombreux exemples dans l'ensemble de données et apprendront à les classer beaucoup plus rapidement que l'autre groupe. Dans ce travail, nous avons développé deux approches : Une première approche ou classifieur unique basée sur les k plus proches voisins et utilise le cosinus comme mesure de similarité (Cost Sensitive Cosine Similarity K-Nearest Neighbors : CoSKNN) et une deuxième approche ou approche hybride qui combine plusieurs classifieurs uniques et fondu sur l'algorithme k-modes (K-modes Imbalanced Classification Hybrid Approach : K-MICHA). Dans l'algorithme CoSKNN, notre objectif était de résoudre le problème du déséquilibre en utilisant la mesure de cosinus et en introduisant un score sensible au coût pour la classification basée sur l'algorithme de KNN. Nous avons mené une expérience de validation comparative au cours de laquelle nous avons prouvé l'efficacité de CoSKNN en termes de taux de classification correcte et de détection des fraudes. D’autre part, K-MICHA a pour objectif de regrouper des points de données similaires en termes des résultats de classifieurs. Ensuite, calculez les probabilités de fraude dans les groupes obtenus afin de les utiliser pour détecter les fraudes de nouvelles observations. Cette approche peut être utilisée pour détecter tout type de fraude financière, lorsque des données étiquetées sont disponibles. La méthode K-MICHA est appliquée dans 3 cas : données concernant la fraude par carte de crédit, paiement mobile et assurance automobile. Dans les trois études de cas, nous comparons K-MICHA au stacking en utilisant le vote, le vote pondéré, la régression logistique et l’algorithme CART. Nous avons également comparé avec Adaboost et la forêt aléatoire. Nous prouvons l'efficacité de K-MICHA sur la base de ces expériences. Nous avons également appliqué K-MICHA dans un cadre Big Data en utilisant H2O et R. Nous avons pu traiter et analyser des ensembles de données plus volumineux en très peu de temps / There are different types of risks in financial domain such as, terrorist financing, money laundering, credit card fraudulence and insurance fraudulence that may result in catastrophic consequences for entities such as banks or insurance companies. These financial risks are usually detected using classification algorithms. In classification problems, the skewed distribution of classes also known as class imbalance, is a very common challenge in financial fraud detection, where special data mining approaches are used along with the traditional classification algorithms to tackle this issue. Imbalance class problem occurs when one of the classes have more instances than another class. This problem is more vulnerable when we consider big data context. The datasets that are used to build and train the models contain an extremely small portion of minority group also known as positives in comparison to the majority class known as negatives. In most of the cases, it’s more delicate and crucial to correctly classify the minority group rather than the other group, like fraud detection, disease diagnosis, etc. In these examples, the fraud and the disease are the minority groups and it’s more delicate to detect a fraud record because of its dangerous consequences, than a normal one. These class data proportions make it very difficult to the machine learning classifier to learn the characteristics and patterns of the minority group. These classifiers will be biased towards the majority group because of their many examples in the dataset and will learn to classify them much faster than the other group. After conducting a thorough study to investigate the challenges faced in the class imbalance cases, we found that we still can’t reach an acceptable sensitivity (i.e. good classification of minority group) without a significant decrease of accuracy. This leads to another challenge which is the choice of performance measures used to evaluate models. In these cases, this choice is not straightforward, the accuracy or sensitivity alone are misleading. We use other measures like precision-recall curve or F1 - score to evaluate this trade-off between accuracy and sensitivity. Our objective is to build an imbalanced classification model that considers the extreme class imbalance and the false alarms, in a big data framework. We developed two approaches: A Cost-Sensitive Cosine Similarity K-Nearest Neighbor (CoSKNN) as a single classifier, and a K-modes Imbalance Classification Hybrid Approach (K-MICHA) as an ensemble learning methodology. In CoSKNN, our aim was to tackle the imbalance problem by using cosine similarity as a distance metric and by introducing a cost sensitive score for the classification using the KNN algorithm. We conducted a comparative validation experiment where we prove the effectiveness of CoSKNN in terms of accuracy and fraud detection. On the other hand, the aim of K-MICHA is to cluster similar data points in terms of the classifiers outputs. Then, calculating the fraud probabilities in the obtained clusters in order to use them for detecting frauds of new transactions. This approach can be used to the detection of any type of financial fraud, where labelled data are available. At the end, we applied K-MICHA to a credit card, mobile payment and auto insurance fraud data sets. In all three case studies, we compare K-MICHA with stacking using voting, weighted voting, logistic regression and CART. We also compared with Adaboost and random forest. We prove the efficiency of K-MICHA based on these experiments

Dans les dernières années, les réseaux Bayésiens (RB) sont devenus l'une des méthodes d'apprentissage automatique les plus puissantes permettant de modéliser graphiquement et de manière probabiliste différentes types de systèmes complexes. Un des problèmes communs dans l'apprentissage de la structure des RB est le problème des données de petites tailles. En effet, le résultat de l'apprentissage est sensible au nombre d'échantillons de données. En apprentissage automatique, les méthodes d'apprentissage ensemblistes telles que le bootstrap ou les algorithmes génétiques sont des méthodes souvent utilisées pour traiter le problème de la pauvreté de données. Toutefois, les méthodes existantes se limitent généralement à la fusion d'un ensemble de modèles, mais ne permettent pas de comparer deux ensembles de modèles. Inspiré par les résultats obtenus par les méthodes ensemblistes, nous proposons une nouvelle méthode basée sur le graphe quasi-essentiel (QEG - Quasi-Essential Graph) et l'utilisation d'un test multiple afin de comparer deux ensembles de RB. Le QEG permet de résumer et de visualiser graphiquement un ensemble de RB. Le test multiple permet de vérifier si les différences entre les deux ensembles de RB sont statistiquement significatives et de déterminer la position de ces différences. L'application sur des données synthétiques et expérimentales a démontré les différents intérêts de la méthode proposée dans la reconstruction des réseaux de régulation génétique et perspectivement dans les autres applications avec les données de petites tailles.