Extraire une représentation de tous les facteurs de haut niveau de l'état d'un agent à partir d'informations sensorielles de bas niveau est une tâche importante, mais difficile, dans l'apprentissage automatique. Dans ce memoire, nous explorerons plusieurs approches non supervisées pour apprendre ces représentations. Nous appliquons et analysons des méthodes d'apprentissage de représentations non supervisées existantes dans des environnements d'apprentissage par renforcement, et nous apportons notre propre suite d'évaluations et notre propre méthode novatrice d'apprentissage de représentations d'état. Dans le premier chapitre de ce travail, nous passerons en revue et motiverons l'apprentissage non supervisé de représentations pour l'apprentissage automatique en général et pour l'apprentissage par renforcement. Nous introduirons ensuite un sous-domaine relativement nouveau de l'apprentissage de représentations : l'apprentissage auto-supervisé. Nous aborderons ensuite deux approches fondamentales de l'apprentissage de représentations, les méthodes génératives et les méthodes discriminatives. Plus précisément, nous nous concentrerons sur une collection de méthodes discriminantes d'apprentissage de représentations, appelées méthodes contrastives d'apprentissage de représentations non supervisées (CURL). Nous terminerons le premier chapitre en détaillant diverses approches pour évaluer l'utilité des représentations. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons un article de workshop dans lequel nous évaluons un ensemble de méthodes d'auto-supervision standards pour les problèmes d'apprentissage par renforcement. Nous découvrons que la performance de ces représentations dépend fortement de la dynamique et de la structure de l'environnement. À ce titre, nous déterminons qu'une étude plus systématique des environnements et des méthodes est nécessaire. Notre troisième chapitre couvre notre deuxième article, Unsupervised State Representation Learning in Atari, où nous essayons d'effectuer une étude plus approfondie des méthodes d'apprentissage de représentations en apprentissage par renforcement, comme expliqué dans le deuxième chapitre. Pour faciliter une évaluation plus approfondie des représentations en apprentissage par renforcement, nous introduisons une suite de 22 jeux Atari entièrement labellisés. De plus, nous choisissons de comparer les méthodes d'apprentissage de représentations de façon plus systématique, en nous concentrant sur une comparaison entre méthodes génératives et méthodes contrastives, plutôt que les méthodes générales du deuxième chapitre choisies de façon moins systématique. Enfin, nous introduisons une nouvelle méthode contrastive, ST-DIM, qui excelle sur ces 22 jeux Atari. / Extracting a representation of all the high-level factors of an agent’s state from level-level sensory information is an important, but challenging task in machine learning. In this thesis, we will explore several unsupervised approaches for learning these state representations. We apply and analyze existing unsupervised representation learning methods in reinforcement learning environments, as well as contribute our own evaluation benchmark and our own novel state representation learning method. In the first chapter, we will overview and motivate unsupervised representation learning for machine learning in general and for reinforcement learning. We will then introduce a relatively new subfield of representation learning: self-supervised learning. We will then cover two core representation learning approaches, generative methods and discriminative methods. Specifically, we will focus on a collection of discriminative representation learning methods called contrastive unsupervised representation learning (CURL) methods. We will close the first chapter by detailing various approaches for evaluating the usefulness of representations. In the second chapter, we will present a workshop paper, where we evaluate a handful of off-the-shelf self-supervised methods in reinforcement learning problems. We discover that the performance of these representations depends heavily on the dynamics and visual structure of the environment. As such, we determine that a more systematic study of environments and methods is required. Our third chapter covers our second article, Unsupervised State Representation Learning in Atari, where we try to execute a more thorough study of representation learning methods in RL as motivated by the second chapter. To facilitate a more thorough evaluation of representations in RL we introduce a benchmark of 22 fully labelled Atari games. In addition, we choose the representation learning methods for comparison in a more systematic way by focusing on comparing generative methods with contrastive methods, instead of the less systematically chosen off-the-shelf methods from the second chapter. Finally, we introduce a new contrastive method, ST-DIM, which excels at the 22 Atari games.

Ce mémoire rassemble des éléments d'optimisation, d'apprentissage profond et de contrôle optimal afin de répondre aux problématiques d'apprentissage et de planification dans le contexte des systèmes dynamiques en temps continu. Deux approches générales sont explorées. D'abord, une approche basée sur la méthode du maximum de vraisemblance est présentée. Ici, les trajectoires ``d'entrainement'' sont échantillonnées depuis la dynamique réelle, et à partir de celles-ci un modèle de prédiction des états observés est appris. Une fois que l'apprentissage est terminé, le modèle est utilisé pour la planification, en utilisant la dynamique de l'environnement et une fonction de coût pour construire un programme non linéaire, qui est par la suite résolu pour trouver une séquence de contrôle optimal. Ensuite, une approche de bout en bout est proposée, dans laquelle la tâche d'apprentissage de modèle dynamique et celle de planification se déroulent simultanément. Ceci est illustré dans le cadre d'un problème d'apprentissage par imitation, où le modèle est mis à jour en rétropropageant le signal de perte à travers l'algorithme de planification. Grâce au fait que l'entrainement est effectué de bout en bout, cette technique pourrait constituer un sous-module de réseau de neurones de plus grande taille, et pourrait être utilisée pour fournir un biais inductif en faveur des comportements optimaux dans le contexte de systèmes dynamiques en temps continu. Ces méthodes sont toutes les deux conçues pour fonctionner avec des modèles d'équations différentielles ordinaires paramétriques et neuronaux. Également, inspiré par des applications réelles pertinentes, un large recueil de systèmes dynamiques et d'optimiseurs de trajectoire, nommé Myriad, est implémenté; les algorithmes sont testés et comparés sur une variété de domaines de la suite Myriad. / This thesis brings together elements of optimization, deep learning and optimal control to study the challenge of learning and planning in continuous-time dynamical systems. Two general approaches are explored. First, a maximum likelihood approach is presented, in which training trajectories are sampled from the true dynamics, and a model is learned to accurately predict the state observations. After training is completed, the learned model is then used for planning, by using the dynamics and cost function to construct a nonlinear program, which can be solved to find a sequence of optimal controls. Second, a fully end-to-end approach is proposed, in which the tasks of model learning and planning are performed simultaneously. This is demonstrated in an imitation learning setting, in which the model is updated by backpropagating the loss signal through the planning algorithm itself. Importantly, because it can be trained in an end-to-end fashion, this technique can be included as a sub-module of a larger neural network, and used to provide an inductive bias towards behaving optimally in a continuous-time dynamical system. Both the maximum likelihood and end-to-end methods are designed to work with parametric and neural ordinary differential equation models. Inspired by relevant real-world applications, a large repository of dynamical systems and trajectory optimizers, named Myriad, is also implemented. The algorithms are tested and compared on a variety of domains within the Myriad suite.

Le contenu de cette thèse explore la question de l’attribution de crédits à long terme dans l’apprentissage par renforcement du point de vue d’un biais inductif de parcimonie. Dans ce contexte, un agent parcimonieux cherche à comprendre son environnement en utilisant le moins de variables possible. Autrement dit, si l’agent est crédité ou blâmé pour un certain comportement, la parcimonie l’oblige à attribuer ce crédit (ou blâme) à seulement quelques variables latentes sélectionnées. Avant de proposer de nouvelles méthodes d’attribution parci- monieuse de crédits, nous présentons les travaux antérieurs relatifs à l’attribution de crédits à long terme en relation avec l’idée de sparsité. Ensuite, nous développons deux nouvelles idées pour l’attribution de crédits dans l’apprentissage par renforcement qui sont motivées par un raisonnement parcimonieux : une dans le cadre sans modèle et une pour l’apprentissage basé sur un modèle. Pour ce faire, nous nous appuyons sur divers concepts liés à la parcimonie issus de la causalité, de l’apprentissage supervisé et de la simulation, et nous les appliquons dans un cadre pour la prise de décision séquentielle. La première, appelée évaluation contrefactuelle de la politique, prend en compte les dévi- ations mineures de ce qui aurait pu être compte tenu de ce qui a été. En restreignant l’espace dans lequel l’agent peut raisonner sur les alternatives, l’évaluation contrefactuelle de la politique présente des propriétés de variance favorables à l’évaluation des politiques. L’évaluation contrefactuelle de la politique offre également une nouvelle perspective sur la rétrospection, généralisant les travaux antérieurs sur l’attribution de crédits a posteriori. La deuxième contribution de cette thèse est un algorithme augmenté d’attention latente pour l’apprentissage par renforcement basé sur un modèle : Latent Sparse Attentive Value Gra- dients (LSAVG). En intégrant pleinement l’attention dans la structure d’optimisation de la politique, nous montrons que LSAVG est capable de résoudre des tâches de mémoire active que son homologue sans modèle a été conçu pour traiter, sans recourir à des heuristiques ou à un biais de l’estimateur original. / The content of this thesis explores the question of long-term credit assignment in reinforce- ment learning from the perspective of a parsimony inductive bias. In this context, a parsi- monious agent looks to understand its environment through the least amount of variables possible. Alternatively, given some credit or blame for some behavior, parsimony forces the agent to assign this credit (or blame) to only a select few latent variables. Before propos- ing novel methods for parsimonious credit assignment, previous work relating to long-term credit assignment is introduced in relation to the idea of sparsity. Then, we develop two new ideas for credit assignment in reinforcement learning that are motivated by parsimo- nious reasoning: one in the model-free setting, and one for model-based learning. To do so, we build upon various parsimony-related concepts from causality, supervised learning, and simulation, and apply them to the Markov Decision Process framework. The first of which, called counterfactual policy evaluation, considers minor deviations of what could have been given what has been. By restricting the space in which the agent can reason about alternatives, counterfactual policy evaluation is shown to have favorable variance properties for policy evaluation. Counterfactual policy evaluation also offers a new perspective to hindsight, generalizing previous work in hindsight credit assignment. The second contribution of this thesis is a latent attention augmented algorithm for model-based reinforcement learning: Latent Sparse Attentive Value Gradients (LSAVG). By fully inte- grating attention into the structure for policy optimization, we show that LSAVG is able to solve active memory tasks that its model-free counterpart was designed to tackle, without resorting to heuristics or biasing the original estimator.

L'apprentissage par renforcement (RL) est un paradigme d'apprentissage orienté agent qui s'intéresse à l'apprentissage en interagissant avec un environnement incertain. Combiné à des réseaux de neurones profonds comme approximateur de fonction, l'apprentissage par renforcement profond (Deep RL) nous a permis récemment de nous attaquer à des tâches très complexes et de permettre à des agents artificiels de maîtriser des jeux classiques comme le Go, de jouer à des jeux vidéo à partir de pixels et de résoudre des tâches de contrôle robotique. Toutefois, un examen plus approfondi de ces remarquables succès empiriques révèle certaines limites fondamentales. Tout d'abord, il a été difficile de combiner les caractéristiques souhaitables des algorithmes RL, telles que l'apprentissage hors politique et en plusieurs étapes, et l'approximation de fonctions, de manière à obtenir des algorithmes stables et efficaces dans de grands espaces d'états. De plus, les algorithmes RL profonds ont tendance à être très inefficaces en raison des stratégies d'exploration-exploitation rudimentaires que ces approches emploient. Enfin, ils nécessitent une énorme quantité de données supervisées et finissent par produire un agent étroit capable de résoudre uniquement la tâche sur laquelle il est entrainé. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles solutions aux problèmes de l'apprentissage hors politique et du dilemme exploration-exploitation dans les grands espaces d'états, ainsi que de l'auto-supervision dans la RL. En ce qui concerne l'apprentissage hors politique, nous apportons deux contributions. Tout d'abord, pour le problème de l'évaluation des politiques, nous montrons que la combinaison des méthodes populaires d'apprentissage hors politique et à plusieurs étapes avec une paramétrisation linéaire de la fonction de valeur pourrait conduire à une instabilité indésirable, et nous dérivons une variante de ces méthodes dont la convergence est prouvée. Deuxièmement, pour l'optimisation des politiques, nous proposons de stabiliser l'étape d'amélioration des politiques par une régularisation de divergence hors politique qui contraint les distributions stationnaires d'états induites par des politiques consécutives à être proches les unes des autres. Ensuite, nous étudions l'apprentissage en ligne dans de grands espaces d'états et nous nous concentrons sur deux hypothèses structurelles pour rendre le problème traitable : les environnements lisses et linéaires. Pour les environnements lisses, nous proposons un algorithme en ligne efficace qui apprend activement un partitionnement adaptatif de l'espace commun en zoomant sur les régions les plus prometteuses et fréquemment visitées. Pour les environnements linéaires, nous étudions un cadre plus réaliste, où l'environnement peut maintenant évoluer dynamiquement et même de façon antagoniste au fil du temps, mais le changement total est toujours limité. Pour traiter ce cadre, nous proposons un algorithme en ligne efficace basé sur l'itération de valeur des moindres carrés pondérés. Il utilise des poids exponentiels pour oublier doucement les données qui sont loin dans le passé, ce qui pousse l'agent à continuer à explorer pour découvrir les changements. Enfin, au-delà du cadre classique du RL, nous considérons un agent qui interagit avec son environnement sans signal de récompense. Nous proposons d'apprendre une paire de représentations qui mettent en correspondance les paires état-action avec un certain espace latent. Pendant la phase non supervisée, ces représentations sont entraînées en utilisant des interactions sans récompense pour encoder les relations à longue portée entre les états et les actions, via une carte d'occupation prédictive. Au moment du test, lorsqu'une fonction de récompense est révélée, nous montrons que la politique optimale pour cette récompense est directement obtenue à partir de ces représentations, sans aucune planification. Il s'agit d'une étape vers la construction d'agents entièrement contrôlables. Un thème commun de la thèse est la conception d'algorithmes RL prouvables et généralisables. Dans la première et la deuxième partie, nous traitons de la généralisation dans les grands espaces d'états, soit par approximation de fonctions linéaires, soit par agrégation d'états. Dans la dernière partie, nous nous concentrons sur la généralisation sur les fonctions de récompense et nous proposons un cadre d'apprentissage non-supervisé de représentation qui est capable d'optimiser toutes les fonctions de récompense. / Reinforcement Learning (RL) is an agent-oriented learning paradigm concerned with learning by interacting with an uncertain environment. Combined with deep neural networks as function approximators, deep reinforcement learning (Deep RL) allowed recently to tackle highly complex tasks and enable artificial agents to master classic games like Go, play video games from pixels, and solve robotic control tasks. However, a closer look at these remarkable empirical successes reveals some fundamental limitations. First, it has been challenging to combine desirable features of RL algorithms, such as off-policy and multi-step learning with function approximation in a way that leads to both stable and efficient algorithms in large state spaces. Moreover, Deep RL algorithms tend to be very sample inefficient due to the rudimentary exploration-exploitation strategies these approaches employ. Finally, they require an enormous amount of supervised data and end up producing a narrow agent able to solve only the task that it was trained on. In this thesis, we propose novel solutions to the problems of off-policy learning and exploration-exploitation dilemma in large state spaces, as well as self-supervision in RL. On the topic of off-policy learning, we provide two contributions. First, for the problem of policy evaluation, we show that combining popular off-policy and multi-step learning methods with linear value function parameterization could lead to undesirable instability, and we derive a provably convergent variant of these methods. Second, for policy optimization, we propose to stabilize the policy improvement step through an off-policy divergence regularization that constrains the discounted state-action visitation induced by consecutive policies to be close to one another. Next, we study online learning in large state spaces and we focus on two structural assumptions to make the problem tractable: smooth and linear environments. For smooth environments, we propose an efficient online algorithm that actively learns an adaptive partitioning of the joint space by zooming in on more promising and frequently visited regions. For linear environments, we study a more realistic setting, where the environment is now allowed to evolve dynamically and even adversarially over time, but the total change is still bounded. To address this setting, we propose an efficient online algorithm based on weighted least squares value iteration. It uses exponential weights to smoothly forget data that are far in the past, which drives the agent to keep exploring to discover changes. Finally, beyond the classical RL setting, we consider an agent interacting with its environments without a reward signal. We propose to learn a pair of representations that map state-action pairs to some latent space. During the unsupervised phase, these representations are trained using reward-free interactions to encode long-range relationships between states and actions, via a predictive occupancy map. At test time, once a reward function is revealed, we show that the optimal policy for that reward is directly obtained from these representations, with no planning. This is a step towards building fully controllable agents. A common theme in the thesis is the design of provable RL algorithms that generalize. In the first and the second part, we deal with generalization in large state spaces either by linear function approximation or state aggregation. In the last part, we focus on generalization over reward functions and we propose a task-agnostic representation learning framework that is provably able to solve all reward functions.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie cérébrale dégénérative qui entraîne une perte progressive de la mémoire, un déclin cognitif et une détérioration graduelle de la capacité d'une personne à faire face à la complexité et à l'exigence des tâches quotidiennes nécessaires pour vivre en autonomie dans notre société actuelle. Les traitements pharmacologiques actuels peuvent ralentir le processus de dégradation attribué à la maladie, mais ces traitements peuvent également provoquer certains effets secondaires indésirables. L'un des traitements non pharmacologiques qui peut soulager efficacement les symptômes est la thérapie assistée par l'animal (T.A.A.). Mais en raison de certaines limitations telles que le prix des animaux et des problèmes d'hygiène, des animaux virtuels sont utilisés dans ce domaine. Cependant, les animaux virtuels animés, la qualité d'image approximative et le mode d'interaction unidirectionnel des animaux qui attendent passivement les instructions de l’utilisateur, peuvent difficilement stimuler le retour émotionnel entre l'utilisateur et les animaux virtuels, ce qui affaiblit considérablement l'effet thérapeutique. Cette étude vise à explorer l'efficacité de l'utilisation d'animaux virtuels à la place d’animaux vivants et leur impact sur la réduction des émotions négatives chez le patient. Cet objectif a été gardé à l'esprit lors de la conception du projet Zoo Therapy, qui présente un environnement immersif d'animaux virtuels en 3D, où l'impact sur l'émotion du patient est mesuré en temps réel par électroencéphalographie (EEG). Les objets statiques et les animaux virtuels de Zoo Therapy sont tous présentés à l'aide de modèles 3D réels. Les mouvements des animaux, les sons et les systèmes de repérage spécialement développés prennent en charge le comportement interactif simulé des animaux virtuels. De plus, pour que l'expérience d'interaction de l'utilisateur soit plus réelle, Zoo Therapy propose un mécanisme de communication novateur qui met en œuvre une interaction bidirectionnelle homme-machine soutenue par 3 méthodes d'interaction : le menu sur les panneaux, les instructions vocales et le Neurofeedback. La manière la plus directe d'interagir avec l'environnement de réalité virtuelle (RV) est le menu sur les panneaux, c'est-à-dire une interaction en cliquant sur les boutons des panneaux par le contrôleur de RV. Cependant, il était difficile pour certains utilisateurs ayant la MA d'utiliser le contrôleur de RV. Pour accommoder ceux qui ne sont pas bien adaptés ou compatibles avec le contrôleur de RV, un système d'instructions vocales peut être utilisé comme interface. Ce système a été reçu positivement par les 5 participants qui l'ont essayé. Même si l'utilisateur choisit de ne pas interagir activement avec l'animal virtuel dans les deux méthodes ci-dessus, le système de Neurofeedback guidera l'animal pour qu'il interagisse activement avec l'utilisateur en fonction des émotions de ce dernier. Le système de Neurofeedback classique utilise un système de règles pour donner des instructions. Les limites de cette méthode sont la rigidité et l'impossibilité de prendre en compte la relation entre les différentes émotions du participant. Pour résoudre ces problèmes, ce mémoire présente une méthode basée sur l'apprentissage par renforcement (AR) qui donne des instructions à différentes personnes en fonction des différentes émotions. Dans l'expérience de simulation des données émotionnelles synthétiques de la MD, la méthode basée sur l’AR est plus sensible aux changements émotionnels que la méthode basée sur les règles et peut apprendre automatiquement des règles potentielles pour maximiser les émotions positives de l'utilisateur. En raison de l'épidémie de Covid-19, nous n'avons pas été en mesure de mener des expériences à grande échelle. Cependant, un projet de suivi a combiné la thérapie de RV Zoo avec la reconnaissance des gestes et a prouvé son efficacité en évaluant les valeurs d'émotion EEG des participants. / Alzheimer’s disease (AD) is a degenerative brain disease that causes progressive memory loss, cognitive decline, and gradually impairs one’s ability to cope with the complexity and requirement of the daily routine tasks necessary to live in autonomy in our current society. Actual pharmacological treatments can slow down the degradation process attributed to the disease, but such treatments may also cause some undesirable side effects. One of the non-pharmacological treatments that can effectively relieve symptoms is animal-assisted treatment (AAT). But due to some limitations such as animal cost and hygiene issues, virtual animals are used in this field. However, the animated virtual animals, the rough picture quality presentation, and the one-direction interaction mode of animals passively waiting for the user's instructions can hardly stimulate the emotional feedback background between the user and the virtual animals, which greatly weakens the therapeutic effect. This study aims to explore the effectiveness of using virtual animals in place of their living counterpart and their impact on the reduction of negative emotions in the patient. This approach has been implemented in the Zoo Therapy project, which presents an immersive 3D virtual reality animal environment, where the impact on the patient’s emotion is measured in real-time by using electroencephalography (EEG). The static objects and virtual animals in Zoo Therapy are all presented using real 3D models. The specially developed animal movements, sounds, and pathfinding systems support the simulated interactive behavior of virtual animals. In addition, for the user's interaction experience to be more real, the innovation of this approach is also in its communication mechanism as it implements a bidirectional human-computer interaction supported by 3 interaction methods: Menu panel, Speech instruction, and Neurofeedback. The most straightforward way to interact with the VR environment is through Menu panel, i.e., interaction by clicking buttons on panels by the VR controller. However, it was difficult for some AD users to use the VR controller. To accommodate those who are not well suited or compatible with VR controllers, a speech instruction system can be used as an interface, which was received positively by the 5 participants who tried it. Even if the user chooses not to actively interact with the virtual animal in the above two methods, the Neurofeedback system will guide the animal to actively interact with the user according to the user's emotions. The mainstream Neurofeedback system has been using artificial rules to give instructions. The limitation of this method is inflexibility and cannot take into account the relationship between the various emotions of the participant. To solve these problems, this thesis presents a reinforcement learning (RL)-based method that gives instructions to different people based on multiple emotions accordingly. In the synthetic AD emotional data simulation experiment, the RL-based method is more sensitive to emotional changes than the rule-based method and can automatically learn potential rules to maximize the user's positive emotions. Due to the Covid-19 epidemic, we were unable to conduct large-scale experiments. However, a follow-up project combined VR Zoo Therapy with gesture recognition and proved the effectiveness by evaluating participant's EEG emotion values.

L'idée centrale de cette thèse est de comprendre la notion d'accélération dans les algorithmes d'approximation stochastique. Plus précisément, nous tentons de répondre à la question suivante : Comment l'accélération apparaît-elle naturellement dans les algorithmes d'approximation stochastique ? Nous adoptons une approche de systèmes dynamiques et proposons de nouvelles méthodes accélérées pour l'apprentissage par différence temporelle (TD) avec approximation de fonction linéaire : Polyak TD(0) et Nesterov TD(0). Contrairement aux travaux antérieurs, nos méthodes ne reposent pas sur une conception des méthodes de TD comme des méthodes de descente de gradient. Nous étudions l'interaction entre l'accélération, la stabilité et la convergence des méthodes accélérées proposées en temps continu. Pour établir la convergence du système dynamique sous-jacent, nous analysons les modèles en temps continu des méthodes d'approximation stochastique accélérées proposées en dérivant la loi de conservation dans un système de coordonnées dilaté. Nous montrons que le système dynamique sous-jacent des algorithmes proposés converge à un rythme accéléré. Ce cadre nous fournit également des recommandations pour le choix des paramètres d'amortissement afin d'obtenir ce comportement convergent. Enfin, nous discrétisons ces ODE convergentes en utilisant deux schémas de discrétisation différents, Euler explicite et Euler symplectique, et nous analysons leurs performances sur de petites tâches de prédiction linéaire. / The central idea of this thesis is to understand the notion of acceleration in stochastic approximation algorithms. Specifically, we attempt to answer the question: How does acceleration naturally show up in SA algorithms? We adopt a dynamical systems approach and propose new accelerated methods for temporal difference (TD) learning with linear function approximation: Polyak TD(0) and Nesterov TD(0). In contrast to earlier works, our methods do not rely on viewing TD methods as gradient descent methods. We study the interplay between acceleration, stability, and convergence of the proposed accelerated methods in continuous time. To establish the convergence of the underlying dynamical system, we analyze continuous-time models of the proposed accelerated stochastic approximation methods by deriving the conservation law in a dilated coordinate system. We show that the underlying dynamical system of our proposed algorithms converges at an accelerated rate. This framework also provides us recommendations for the choice of the damping parameters to obtain this convergent behavior. Finally, we discretize these convergent ODEs using two different discretization schemes, explicit Euler, and symplectic Euler, and analyze their performance on small, linear prediction tasks.

La théorie du processus dual stipule que la cognition humaine fonctionne selon deux modes distincts : l’un pour le traitement rapide, habituel et associatif, appelé communément "système 1" et le second, ayant un traitement plus lent, délibéré et contrôlé, que l’on nomme "système 2". Cette distinction indique une caractéristique sous-jacente importante de la cognition humaine : la possibilité de passer de manière adaptative à différentes stratégies de calcul selon la situation. Cette capacité est étudiée depuis longtemps dans différents domaines et de nombreux bénéfices hypothétiques semblent y être liés. Cependant, les réseaux neuronaux profonds sont souvent construits sans cette capacité à gérer leurs ressources calculatoires de manière optimale. Cette limitation des modèles actuels est d’autant plus préoccupante que de plus en plus de travaux récents semblent montrer une relation linéaire entre la capacité de calcul utilisé et les performances du modèle lors de la phase d’évaluation. Pour résoudre ce problème, ce mémoire propose différentes approches et étudie leurs impacts sur les modèles, tout d’abord, nous étudions un agent d’apprentissage par renforcement profond qui est capable d’allouer plus de calcul aux situations plus difficiles. Notre approche permet à l’agent d’adapter ses ressources computationnelles en fonction des exigences de la situation dans laquelle il se trouve, ce qui permet en plus d’améliorer le temps de calcul, améliore le transfert entre des tâches connexes et la capacité de généralisation. L’idée centrale commune à toutes nos approches est basée sur les théories du coût de l’effort venant de la littérature sur le contrôle cognitif qui stipule qu’en rendant l’utilisation de ressource cognitive couteuse pour l’agent et en lui laissant la possibilité de les allouer lors de ses décisions il va lui-même apprendre à déployer sa capacité de calcul de façon optimale. Ensuite, nous étudions des variations de la méthode sur une tâche référence d’apprentissage profond afin d’analyser précisément le comportement du modèle et quels sont précisément les bénéfices d’adopter une telle approche. Nous créons aussi notre propre tâche "Stroop MNIST" inspiré par le test de Stroop utilisé en psychologie afin de valider certaines hypothèses sur le comportement des réseaux neuronaux employant notre méthode. Nous finissons par mettre en lumière les liens forts qui existent entre apprentissage dual et les méthodes de distillation des connaissances. Notre approche a la particularité d’économiser des ressources computationnelles lors de la phase d’inférence. Enfin, dans la partie finale, nous concluons en mettant en lumière les contributions du mémoire, nous détaillons aussi des travaux futurs, nous approchons le problème avec les modèles basés sur l’énergie, en apprenant un paysage d’énergie lors de l’entrainement, le modèle peut ensuite lors de l’inférence employer une capacité de calcul dépendant de la difficulté de l’exemple auquel il fait face plutôt qu’une simple propagation avant fixe ayant systématiquement le même coût calculatoire. Bien qu’ayant eu des résultats expérimentaux infructueux, nous analysons les promesses que peuvent tenir une telle approche et nous émettons des hypothèses sur les améliorations potentielles à effectuer. Nous espérons, avec nos contributions, ouvrir la voie vers des algorithmes faisant un meilleur usage de leurs ressources computationnelles et devenant par conséquent plus efficace en termes de coût et de performance, ainsi que permettre une compréhension plus intime des liens qui existent entre certaines méthodes en apprentissage machine et la théorie du processus dual. / The dual-process theory states that human cognition operates in two distinct modes: one for rapid, habitual and associative processing, commonly referred to as "system 1", and the second, with slower, deliberate and controlled processing, which we call "system 2". This distinction points to an important underlying feature of human cognition: the ability to switch adaptively to different computational strategies depending on the situation. This ability has long been studied in various fields, and many hypothetical benefits seem to be linked to it. However, deep neural networks are often built without this ability to optimally manage their computational resources. This limitation of current models is all the more worrying as more and more recent work seems to show a linear relationship between the computational capacity used and model performance during the evaluation phase. To solve this problem, this thesis proposes different approaches and studies their impact on models. First, we study a deep reinforcement learning agent that is able to allocate more computation to more difficult situations. Our approach allows the agent to adapt its computational resources according to the demands of the situation in which it finds itself, which in addition to improving computation time, enhances transfer between related tasks and generalization capacity. The central idea common to all our approaches is based on cost-of-effort theories from the cognitive control literature, which stipulate that by making the use of cognitive resources costly for the agent, and allowing it to allocate them when making decisions, it will itself learn to deploy its computational capacity optimally. We then study variations of the method on a reference deep learning task, to analyze precisely how the model behaves and what the benefits of adopting such an approach are. We also create our own task "Stroop MNIST" inspired by the Stroop test used in psychology to validate certain hypotheses about the behavior of neural networks employing our method. We end by highlighting the strong links between dual learning and knowledge distillation methods. Finally, we approach the problem with energy-based models, by learning an energy landscape during training, the model can then during inference employ a computational capacity dependent on the difficulty of the example it is dealing with rather than a simple fixed forward propagation having systematically the same computational cost. Despite unsuccessful experimental results, we analyze the promise of such an approach and speculate on potential improvements. With our contributions, we hope to pave the way for algorithms that make better use of their computational resources, and thus become more efficient in terms of cost and performance, as well as providing a more intimate understanding of the links that exist between certain machine learning methods and dual process theory.

Cette thèse se penche sur les modèles de choix, des distributions sur des ensembles d'alternatives. Les modèles de choix sur les processus décisionnels de Markov (MDP) peuvent décomposer de très grands espaces alternatifs en procédures étape par étape conçues pour non seulement combattre la malédiction de la dimensionnalité mais aussi pour mieux refléter la dynamique sous-jacente. La première partie est consacrée à l'estimation du temps de trajet dans le cadre de la modélisation du choix de chemin. Les modèles de choix de chemin sont des modèles de choix sur l'ensemble des chemins utilisés pour modéliser le flux de circulation. Intuitivement, le temps de trajet est l'une des caractéristiques les plus importantes lors du choix des chemins, mais les temps de trajet ne sont pas toujours connus. En revanche, le cadre classique suppose que ces deux étapes sont séquentielles, car les temps de trajet des arcs font partie de l'entrée du processus d'estimation du choix de chemin. Pourtant, les interdépendances complexes signifient que ce modèle de choix de chemin peut complémenter toute observation lors de l'estimation des temps de trajet. Nous construisons un modèle statistique pour l'estimation du temps de trajet et proposons de marginaliser les caractéristiques non observées. En utilisant ces idées, nous montrons que nous sommes capables d'apprendre des modèles de choix de chemin sans observer de chemins réels et à différentes granularités. La deuxième partie se concentre sur les échecs des MDP régularisés et comment la régularisation peut avoir des effets secondaires inattendus, tels que la divergence dans les chemins stochastiques les plus courts ou des fonctions de valeur déraisonnablement grandes. Les MDP régularisés ne sont rien d'autre qu'une application des modèles de choix aux MDP. Ils sont utilisés dans l'apprentissage par renforcement (RL) pour obtenir, entre autres choses, un modèle de choix sur les trajectoires possibles pour l'apprentissage par renforcement inverse, transférer des connaissances préalables au modèle, ou obtenir des politiques qui exploitent tous les objectifs dans l'environnement. Ces effets secondaires sont exacerbés dans les espaces d'action dépendants de l'état. Comme mesure d'atténuation, nous introduisons deux transformations potentielles, et nous évaluons leur performance sur un problème de conception de médicaments. / This thesis delves on choice models, distributions on sets of alternatives. Choice models on Markov decision processes (MDPs) can break down very large alternative spaces into step-by-step procedures designed to not only tackle the curse of dimensionality but also to reflect the underlying dynamics better. The first part is devoted to travel time estimation as part of path choice modeling. Path choice models are choice models on the set of paths used to model traffic flow. Intuitively, travel time is one of the more important features when choosing paths, yet travel times are not always known. In contrast, the classical setting assumes that these two steps are sequential, as arc travel times are part of the input of the path choice estimation process. Yet the intricate interdependences mean that that path choice model can complement any observation when estimating travel times. We build a statistical model for travel time estimation and propose marginalizing the unobserved features. Using these ideas, we show that we are able to learn path choice models without observing actual paths and at different granularity. The second part focuses on the failings of regularized MDPs and how regularization may have unexpected side effects, such as divergence in stochastic shortest paths or unreasonably large value functions. Regularized MDPs are nothing but an application of choice models to MDPs. They are used in reinforcement learning (RL) to get, among other things, a choice model on possible trajectories for inverse reinforcement learning, transfer prior knowledge to the model, or to get policies that exploit all goals in the environment. These side effects are exacerbated in state-dependent action spaces. As a mitigation, we introduce two potential transformations, and we benchmark their performance on a drug design problem.

Cette thèse s’intéresse au problème classique de tournées de véhicules avec contraintes de capacité (CVRP pour Capacitated Vehicle Routing Problem) ainsi qu’une variante beaucoup plus complexe, soit le problème de tournées de véhicules dépendant du temps avec fenêtres de temps et points de transfert défini sur un réseau routier (TDVRPTWTP-RN pour Time-Dependent Vehicle Routing Problem with Time Windows and Transfer Points on a Road Network). Dans le premier article, le TDVRPTWTP-RN est résolu en adaptant une métaheuristique qui représente l’état de l’art pour le CVRP, appelé Slack Induction for String Removals (SISR). Cette métaheuristique fait appel au principe “détruire et reconstruire” en retirant des séquences de clients consécutifs dans les routes de la solution courante et en réinsérant ensuite ces clients de façon à créer une nouvelle solution. Le problème est défini sur un réseau routier où différents chemins alternatifs peuvent être utilisés pour se déplacer d’un client à l’autre. De plus, le temps de parcours sur chacun des arcs du réseau n’est pas fixe, mais dépend du moment où le véhicule quitte le sommet origine. S’inspirant de problèmes rencontrés en logistique urbaine, nous considérons également deux types de véhicules, de petite et grande capacité, où les grands véhicules sont interdits de passage au centre-ville. Ainsi, les clients du centre-ville ne peuvent être servis que suite au transfert de leur demande d’un grand à un petit véhicule à un point de transfert. Comme un point de transfert n’a pas de capacité, une problématique de synchronisation apparaît quand un grand véhicule doit y rencontrer un ou plusieurs petits véhicules pour leur transférer une partie de son contenu. Contrairement aux problèmes stricts de tournées de véhicules à deux échelons, les grands véhicules peuvent aussi servir des clients localisés à l’extérieur du centre-ville. Comme le problème abordé est beaucoup plus complexe que le CVRP, des modifications importantes ont dû être apportées à la métaheuristique SISR originale. Pour évaluer la performance de notre algorithme, un ensemble d’instances tests a été généré à partir d’instances existantes pour le TDVRPTW-RN. Les réseaux omt été divisés en trois régions : centre-ville, frontière et extérieur. Le centre-ville et l’extérieur sont respectivemnt les royaumes des petits et grands véhicules, tandis que la frontière (où l’on retrouve les points de transfert) peut être visité par les deux types de véhicules. Les résultats numériques montrent que la métaheuristique proposée exploite les opportunités d’optimiser une solution en déplaçant autant que possible les clients neutres, soit ceux qui peuvent être servis indifféremment par un petit ou un grand véhicule, des routes des petits véhicules vers les routes des grands véhicules, réduisant ainsi les coûteuses visites aux points de transfert. Les deuxième et troisième article s’intéressent à des concepts plus fondamentaux et font appel au problème plus simple du CVRP pour les évaluer. Dans le second article, un étude expérimentale est conçue afin d’examiner l’impact de données (distances) imprécises sur la performance de différents types d’heuristiques, ainsi qu’une méthode exacte, pour le CVRP. À cette fin, différents niveaux d’imprécision ont été introduits dans des instances tests classiques pour le CVRP avec 100 à 1 000 clients. Nous avons observé que les meilleures métaheuristiques demeurent les meilleures, même en présence de hauts niveaux d’imprécision, et qu’elles ne sont pas affectées autant par les imprécisions qu’une heuristique simple. Des expériences avec des instances réelles ont mené aux mêmes conclusions. Le troisième article s’intéresse à l’intégration de l’apprentissage automatique dans la métaheuristique SISR qui représente l’état de l’art pour le CVRP. Dans ce travail, le principe “détruire et reconstruire” au coeur de SISR est hybridé avec une méthode d’apprentissage par renforcement qui s’inspire des systèmes de colonies de fourmis. L’ap- prentissage automatique a pour but d’identifier les arêtes les plus intéressantes, soit celles qui se retrouvent le plus fréquemment dans les solutions de grande qualité précédemment rencontrées au cours de la recherche. L’inclusion de telles arêtes est alors favorisé lors de la réinsertion des clients ayant été retirés de la solution par le mécanisme de destruction. Les instances utilisées pour tester notre approche hybride sont les mêmes que celles du second article. Nous avons observé que notre algorithme ne peut produire que des solutions lé- gèrement meilleures que la métaheuristique SISR originale, celle-ci étant déjà quasi-optimale. / This thesis is concerned both with the classical Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP) and a much more complex variant called the Time-Dependent Vehicle Routing Problem with Time Windows and Transfer Points on a Road Network (TDVRPTWTP-RN ). In the first paper, the TDVRPTWTP RN is solved by adapting a state-of-the-art metaheuris- tic for the CVRP, called Slack Induction for String Removals (SISR). This metaheuristic is based on the ruin and recreate principle and removes strings of consecutive customers in the routes of the current solution and then reinserts the removed customers to create a new solution. The problem is formulated in a full road network where different alternative paths can be used to go from one customer to the next. Also, the travel time on each arc of the road network is not fixed, but depends on the departure time from the origin node. Motivated from city logistics applications, we also consider two types of vehicles, large and small, with large vehicles being forbidden from the downtown area. Thus, downtown customers can only be served through a transfer of their goods from large to small vehicles at designated transfer points. Since transfer points have no capacity, synchronization issues arise when a large vehicle must meet one or more small vehicles to transfer goods. As opposed to strict two-echelon VRPs, large vehicles can also directly serve customers that are outside of the downtown area. Given that the TDVRPTWTP-RN is much more complex than the CVRP, important modifications to the original SISR metaheuristic were required. To evaluate the performance of our algorithm, we generated a set of test instances by extending existing instances of the TDVRPTW-RN . The road networks are divided into three regions: downtown, boundary and outside. The downtown and outside areas are the realm of small and large vehicles, respectively, while the boundary area that contains the transfer points can be visited by both small and large vehicles. The results show that the proposed metaheuristic exploits optimization opportunities by moving as much as possible neutral customers (which can be served by either small or large vehicles) from the routes of small vehicles to those of large vehicles, thus avoiding costly visits to transfer points. The second and third papers examine more fundamental issues, using the classical CVRP as a testbed. In the second paper, an experimental study is designed to examine the impact of inaccurate data (distances) on the performance of different types of heuristics, as well as one exact method, for the CVRP. For this purpose, different levels of distance inaccuracies were introduced into well-known benchmark instances for the CVRP with 100 to 1,000 customers. We observed that the best state-of-the-art metaheuristics remain the best, even in the presence of high inaccuracy levels, and that they are not as much affected by inaccuracies when compared to a simple heuristic. Some experiments performed on real-world instances led to the same conclusions. The third paper focuses on the integration of learning into the state-of-the-art SISR for the CVRP. In this work, the ruin and recreate mechanism at the core of SISR is enhanced by a reinforcement learning technique inspired from ant colony systems. The learning component is aimed at identifying promising edges, namely those that are often found in previously encountered high-quality solutions. The inclusion of these promising edges is then favored during the reinsertion of removed customers. The benchmark instances of the second paper were also used here to test the new hybrid algorithm. We observed that the latter can produce only slightly better solutions than the original SISR, due to the quasi-optimality of the original solutions.

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