Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les trois piliers d'un système de reconnaissance automatique de la parole sont le lexique,le modèle de langage et le modèle acoustique. Le lexique fournit l'ensemble des mots qu'il est possible de transcrire, associés à leur prononciation. Le modèle acoustique donne une indication sur la manière dont sont réalisés les unités acoustiques et le modèle de langage apporte la connaissance de la manière dont les mots s'enchaînent.Dans les systèmes de reconnaissance automatique de la parole markoviens, les modèles acoustiques et linguistiques sont de nature statistique. Leur estimation nécessite de gros volumes de données sélectionnées, normalisées et annotées.A l'heure actuelle, les données disponibles sur le Web constituent de loin le plus gros corpus textuel disponible pour les langues française et anglaise. Ces données peuvent potentiellement servir à la construction du lexique et à l'estimation et l'adaptation du modèle de langage. Le travail présenté ici consiste à proposer de nouvelles approches permettant de tirer parti de cette ressource.Ce document est organisé en deux parties. La première traite de l'utilisation des données présentes sur le Web pour mettre à jour dynamiquement le lexique du moteur de reconnaissance automatique de la parole. L'approche proposée consiste à augmenter dynamiquement et localement le lexique du moteur de reconnaissance automatique de la parole lorsque des mots inconnus apparaissent dans le flux de parole. Les nouveaux mots sont extraits du Web grâce à la formulation automatique de requêtes soumises à un moteur de recherche. La phonétisation de ces mots est obtenue grâce à un phonétiseur automatique.La seconde partie présente une nouvelle manière de considérer l'information que représente le Web et des éléments de la théorie des possibilités sont utilisés pour la modéliser. Un modèle de langage possibiliste est alors proposé. Il fournit une estimation de la possibilité d'une séquence de mots à partir de connaissances relatives à 'existence de séquences de mots sur le Web. Un modèle probabiliste Web reposant sur le compte de documents fourni par un moteur de recherche Web est également présenté. Plusieurs approches permettant de combiner ces modèles avec des modèles probabilistes classiques estimés sur corpus sont proposées. Les résultats montrent que combiner les modèles probabilistes et possibilistes donne de meilleurs résultats que es modèles probabilistes classiques. De plus, les modèles estimés à partir des données Web donnent de meilleurs résultats que ceux estimés sur corpus.

Les trois piliers d’un système de reconnaissance automatique de la parole sont le lexique,le modèle de langage et le modèle acoustique. Le lexique fournit l’ensemble des mots qu’il est possible de transcrire, associés à leur prononciation. Le modèle acoustique donne une indication sur la manière dont sont réalisés les unités acoustiques et le modèle de langage apporte la connaissance de la manière dont les mots s’enchaînent.Dans les systèmes de reconnaissance automatique de la parole markoviens, les modèles acoustiques et linguistiques sont de nature statistique. Leur estimation nécessite de gros volumes de données sélectionnées, normalisées et annotées.A l’heure actuelle, les données disponibles sur le Web constituent de loin le plus gros corpus textuel disponible pour les langues française et anglaise. Ces données peuvent potentiellement servir à la construction du lexique et à l’estimation et l’adaptation du modèle de langage. Le travail présenté ici consiste à proposer de nouvelles approches permettant de tirer parti de cette ressource.Ce document est organisé en deux parties. La première traite de l’utilisation des données présentes sur le Web pour mettre à jour dynamiquement le lexique du moteur de reconnaissance automatique de la parole. L’approche proposée consiste à augmenter dynamiquement et localement le lexique du moteur de reconnaissance automatique de la parole lorsque des mots inconnus apparaissent dans le flux de parole. Les nouveaux mots sont extraits du Web grâce à la formulation automatique de requêtes soumises à un moteur de recherche. La phonétisation de ces mots est obtenue grâce à un phonétiseur automatique.La seconde partie présente une nouvelle manière de considérer l’information que représente le Web et des éléments de la théorie des possibilités sont utilisés pour la modéliser. Un modèle de langage possibiliste est alors proposé. Il fournit une estimation de la possibilité d’une séquence de mots à partir de connaissances relatives à ’existence de séquences de mots sur le Web. Un modèle probabiliste Web reposant sur le compte de documents fourni par un moteur de recherche Web est également présenté. Plusieurs approches permettant de combiner ces modèles avec des modèles probabilistes classiques estimés sur corpus sont proposées. Les résultats montrent que combiner les modèles probabilistes et possibilistes donne de meilleurs résultats que es modèles probabilistes classiques. De plus, les modèles estimés à partir des données Web donnent de meilleurs résultats que ceux estimés sur corpus. / The three pillars of an automatic speech recognition system are the lexicon, the languagemodel and the acoustic model. The lexicon provides all the words that can betranscribed, associated with their pronunciation. The acoustic model provides an indicationof how the phone units are pronounced, and the language model brings theknowledge of how words are linked. In modern automatic speech recognition systems,the acoustic and language models are statistical. Their estimation requires large volumesof data selected, standardized and annotated.At present, the Web is by far the largest textual corpus available for English andFrench languages. The data it holds can potentially be used to build the vocabularyand the estimation and adaptation of language model. The work presented here is topropose new approaches to take advantage of this resource in the context of languagemodeling.The document is organized into two parts. The first deals with the use of the Webdata to dynamically update the lexicon of the automatic speech recognition system.The proposed approach consists on increasing dynamically and locally the lexicon onlywhen unknown words appear in the speech. New words are extracted from the Webthrough the formulation of queries submitted toWeb search engines. The phonetizationof the words is obtained by an automatic grapheme-to-phoneme transcriber.The second part of the document presents a new way of handling the informationcontained on the Web by relying on possibility theory concepts. A Web-based possibilisticlanguage model is proposed. It provides an estition of the possibility of a wordsequence from knowledge of the existence of its sub-sequences on the Web. A probabilisticWeb-based language model is also proposed. It relies on Web document countsto estimate n-gram probabilities. Several approaches for combining these models withclassical models are proposed. The results show that combining probabilistic and possibilisticmodels gives better results than classical probabilistic models alone. In addition,the models estimated from Web data perform better than those estimated on corpus.

Les modèles de langage ont pour but de caractériser et d'évaluer la qualité des énoncés en langue naturelle. Leur rôle est fondamentale dans de nombreux cadres d'application comme la reconnaissance automatique de la parole, la traduction automatique, l'extraction et la recherche d'information. La modélisation actuellement état de l'art est la modélisation "historique" dite n-gramme associée à des techniques de lissage. Ce type de modèle prédit un mot uniquement en fonction des n-1 mots précédents. Pourtant, cette approche est loin d'être satisfaisante puisque chaque mot est traité comme un symbole discret qui n'a pas de relation avec les autres. Ainsi les spécificités du langage ne sont pas prises en compte explicitement et les propriétés morphologiques, sémantiques et syntaxiques des mots sont ignorées. De plus, à cause du caractère éparse des langues naturelles, l'ordre est limité à n=4 ou 5. Sa construction repose sur le dénombrement de successions de mots, effectué sur des données d'entrainement. Ce sont donc uniquement les textes d'apprentissage qui conditionnent la pertinence de la modélisation n-gramme, par leur quantité (plusieurs milliards de mots sont utilisés) et leur représentativité du contenu en terme de thématique, époque ou de genre. L'usage des modèles neuronaux ont récemment ouvert de nombreuses perspectives. Le principe de projection des mots dans un espace de représentation continu permet d'exploiter la notion de similarité entre les mots: les mots du contexte sont projetés dans un espace continu et l'estimation de la probabilité du mot suivant exploite alors la similarité entre ces vecteurs. Cette représentation continue confère aux modèles neuronaux une meilleure capacité de généralisation et leur utilisation a donné lieu à des améliorations significative en reconnaissance automatique de la parole et en traduction automatique. Pourtant, l'apprentissage et l'inférence des modèles de langue neuronaux à grand vocabulaire restent très couteux. Ainsi par le passé, les modèles neuronaux ont été utilisés soit pour des tâches avec peu de données d'apprentissage, soit avec un vocabulaire de mots à prédire limités en taille. La première contribution de cette thèse est donc de proposer une solution qui s’appuie sur la structuration de la couche de sortie sous forme d’un arbre de classification pour résoudre ce problème de complexité. Le modèle se nomme Structure OUtput Layer (SOUL) et allie une architecture neuronale avec les modèles de classes. Dans le cadre de la reconnaissance automatique de la parole et de la traduction automatique, ce nouveau type de modèle a permis d'obtenir des améliorations significatives des performances pour des systèmes à grande échelle et à état l'art. La deuxième contribution de cette thèse est d'analyser les représentations continues induites et de comparer ces modèles avec d'autres architectures comme les modèles récurrents. Enfin, la troisième contribution est d'explorer la capacité de la structure SOUL à modéliser le processus de traduction. Les résultats obtenus montrent que les modèles continus comme SOUL ouvrent des perspectives importantes de recherche en traduction automatique. / The purpose of language models is in general to capture and to model regularities of language, thereby capturing morphological, syntactical and distributional properties of word sequences in a given language. They play an important role in many successful applications of Natural Language Processing, such as Automatic Speech Recognition, Machine Translation and Information Extraction. The most successful approaches to date are based on n-gram assumption and the adjustment of statistics from the training data by applying smoothing and back-off techniques, notably Kneser-Ney technique, introduced twenty years ago. In this way, language models predict a word based on its n-1 previous words. In spite of their prevalence, conventional n-gram based language models still suffer from several limitations that could be intuitively overcome by consulting human expert knowledge. One critical limitation is that, ignoring all linguistic properties, they treat each word as one discrete symbol with no relation with the others. Another point is that, even with a huge amount of data, the data sparsity issue always has an important impact, so the optimal value of n in the n-gram assumption is often 4 or 5 which is insufficient in practice. This kind of model is constructed based on the count of n-grams in training data. Therefore, the pertinence of these models is conditioned only on the characteristics of the training text (its quantity, its representation of the content in terms of theme, date). Recently, one of the most successful attempts that tries to directly learn word similarities is to use distributed word representations in language modeling, where distributionally words, which have semantic and syntactic similarities, are expected to be represented as neighbors in a continuous space. These representations and the associated objective function (the likelihood of the training data) are jointly learned using a multi-layer neural network architecture. In this way, word similarities are learned automatically. This approach has shown significant and consistent improvements when applied to automatic speech recognition and statistical machine translation tasks. A major difficulty with the continuous space neural network based approach remains the computational burden, which does not scale well to the massive corpora that are nowadays available. For this reason, the first contribution of this dissertation is the definition of a neural architecture based on a tree representation of the output vocabulary, namely Structured OUtput Layer (SOUL), which makes them well suited for large scale frameworks. The SOUL model combines the neural network approach with the class-based approach. It achieves significant improvements on both state-of-the-art large scale automatic speech recognition and statistical machine translations tasks. The second contribution is to provide several insightful analyses on their performances, their pros and cons, their induced word space representation. Finally, the third contribution is the successful adoption of the continuous space neural network into a machine translation framework. New translation models are proposed and reported to achieve significant improvements over state-of-the-art baseline systems.

Les modèles d'apprentissage automatique (ML) atteignent des performances remarquables sur les tâches pour lesquelles ils sont entraînés. Cependant, ils sont souvent sensibles aux changements dans la distribution des données, ce qui peut nuir à leur fiabilité. Cela peut se produire lorsque la distribution des données rencontrées au déploiement diffère de celle vue pendant l'entraînement, entraînant une dégradation considérable des performances. Pire encore, les attaquants peuvent également induire de tels changements afin d'induire les modèles d'apprentissage automatique en erreur. Enfin, cela peut même arriver si l'entraînement est effectué séquentiellement sur des distributions de données différentes. Ces changements de distribution sont omniprésents en ML, nuisant à l'équité, à la fiabilité, à la sécurité et à l'efficacité des modèles d'apprentissage automatique. Cette thèse se concentre sur la compréhension et l'amélioration de la robustesse et de l'adaptation des modèles de ML aux changements de distribution, englobant à la fois des travaux théoriques et expérimentaux. Tout d'abord, nous étudions les limites fondamentales de l'optimisation différentiable à plusieurs objectifs. Une meilleure compréhension de ces limites est importante car les travaux sur les changements de distribution reposent souvent sur des formulations de la théorie des jeux. Nous fournissons de nouvelles bornes inférieures sur la vitesse de convergence d'une large classe de méthodes, ainsi que de nouvelles métriques de conditionnement qui aident à évaluer la difficulté d'optimiser des classes de jeux, et expliquent le potentiel de convergence rapide, même sans forte convexité ou forte concavité. Deuxièmement, nous abordons le manque de robustesse aux attaques adversarielles contre plusieurs types d'attaques, une limitation courante des méthodes de pointe. Nous proposons une approche inspirée de la généralisation de domaine, utilisant l'extrapolation des risques (REx) pour promouvoir la robustesse à plusieurs attaques. Notre méthode atteint des performances supérieures aux bases de référence existantes, que les attaques aient été vues ou non lors de l'entraînement. Enfin, nous nous intéressons aux défis du pré-entraînement continu pour les grands modèles de langage (LLM). Ces modèles sont confrontés à un compromis: soit ils oublient de manière catastrophique les connaissances antérieures lorsqu'ils sont mis à jour sur de nouvelles données, soit ils nécessitent un réentraînement complet coûteux en calcul. Nous démontrons qu'une combinaison de réchauffement et de re-décroissance du taux d'apprentissage, et de réutilisation des données précédemment utilisées permet aux LLM d'apprendre continuellement à partir de nouvelles distributions tout en préservant leurs performances sur les données auparavant apprises. Cette approche permet d'atteindre les performances d'un réentraînement complet, mais à une fraction du coût en calcul. Dans l'ensemble, cette thèse apporte des considérations importantes pour améliorer la robustesse et l'adaptation aux changements de distribution. Ces contributions ouvrent des voies prometteuses pour relever les défis du ML du monde réel dans l'optimisation multiobjectif, la défense contre les adversaires et l'apprentissage continu des grands modèles de langage. / Machine learning (ML) models achieve remarkable performance on tasks they are trained for. However, they often are sensitive to shifts in the data distribution, which may lead to unexpected behaviour. This can happen when the data distribution encountered during deployment differs from that used for training, leading to considerable degradation of performance. Worse, attackers may also induce such shifts to fool machine learning models. Finally, this can even happen when training sequentially on different data distribution. These distributional shifts are pervasive in ML, hindering the fairness, reliability, safety and efficiency of machine learning models. This thesis is focused on understanding and improving the robustness and adaptation of ML models to distributional shifts, encompassing both theoretical and experimental work. First, we investigate the fundamental limits of differentiable multiobjective optimisation. This investigation is important because works on distributional shifts often rely on game theoretical formulations. We provide new lower bounds on the speed of convergence of a large class of methods, along with novel condition numbers that help assess the difficulty to optimise classes of games, and explain the potential for fast convergence even without strong convexity or strong concavity. Second, we address the lack of adversarial robustness against multiple attack types, a common limitation of state-of-the-art methods. We propose a domain generalisation-inspired approach, using Risk Extrapolation (REx) to promote robustness across a range of attacks. Our method achieves performance superior to existing baselines for both seen and novel types of attacks. Finally, we tackle the challenges of continual pretraining for large language models (LLMs). These models face a trade-off: either they catastrophically forget previous knowledge when updated on new data, or they require computationally expensive full retraining. We demonstrate that a combination of learning rate re-warming, re-decaying, and the replay of previous data allows LLMs to continually learn from new distributions while preserving past knowledge. This approach matches the performance of full retraining, but at a fraction of the computational cost. Overall, this thesis contributes impactful considerations towards improving robustness and adaptation to distributional shifts. These contributions open promising avenues for addressing real-world ML challenges across multiobjective optimisation, adversarial defense, and continual learning of large language models.

L'objectif de cette thèse est de présenter différentes applications du programme de recherche de calcul conditionnel distribué. On espère que ces applications, ainsi que la théorie présentée ici, mènera à une solution générale du problème d'intelligence artificielle, en particulier en ce qui a trait à la nécessité d'efficience. La vision du calcul conditionnel distribué consiste à accélérer l'évaluation et l'entraînement de modèles profonds, ce qui est très différent de l'objectif usuel d'améliorer sa capacité de généralisation et d'optimisation. Le travail présenté ici a des liens étroits avec les modèles de type mélange d'experts. Dans le chapitre 2, nous présentons un nouvel algorithme d'apprentissage profond qui utilise une forme simple d'apprentissage par renforcement sur un modèle d'arbre de décisions à base de réseau de neurones. Nous démontrons la nécessité d'une contrainte d'équilibre pour maintenir la distribution d'exemples aux experts uniforme et empêcher les monopoles. Pour rendre le calcul efficient, l'entrainement et l'évaluation sont contraints à être éparse en utilisant un routeur échantillonnant des experts d'une distribution multinomiale étant donné un exemple. Dans le chapitre 3, nous présentons un nouveau modèle profond constitué d'une représentation éparse divisée en segments d'experts. Un modèle de langue à base de réseau de neurones est construit à partir des transformations éparses entre ces segments. L'opération éparse par bloc est implémentée pour utilisation sur des cartes graphiques. Sa vitesse est comparée à deux opérations denses du même calibre pour démontrer le gain réel de calcul qui peut être obtenu. Un modèle profond utilisant des opérations éparses contrôlées par un routeur distinct des experts est entraîné sur un ensemble de données d'un milliard de mots. Un nouvel algorithme de partitionnement de données est appliqué sur un ensemble de mots pour hiérarchiser la couche de sortie d'un modèle de langage, la rendant ainsi beaucoup plus efficiente. Le travail présenté dans cette thèse est au centre de la vision de calcul conditionnel distribué émis par Yoshua Bengio. Elle tente d'appliquer la recherche dans le domaine des mélanges d'experts aux modèles profonds pour améliorer leur vitesse ainsi que leur capacité d'optimisation. Nous croyons que la théorie et les expériences de cette thèse sont une étape importante sur la voie du calcul conditionnel distribué car elle cadre bien le problème, surtout en ce qui concerne la compétitivité des systèmes d'experts. / The objective of this paper is to present different applications of the distributed conditional computation research program. It is hoped that these applications and the theory presented here will lead to a general solution of the problem of artificial intelligence, especially with regard to the need for efficiency. The vision of distributed conditional computation is to accelerate the evaluation and training of deep models which is very different from the usual objective of improving its generalization and optimization capacity. The work presented here has close ties with mixture of experts models. In Chapter 2, we present a new deep learning algorithm that uses a form of reinforcement learning on a novel neural network decision tree model. We demonstrate the need for a balancing constraint to keep the distribution of examples to experts uniform and to prevent monopolies. To make the calculation efficient, the training and evaluation are constrained to be sparse by using a gater that samples experts from a multinomial distribution given examples. In Chapter 3 we present a new deep model consisting of a sparse representation divided into segments of experts. A neural network language model is constructed from blocks of sparse transformations between these expert segments. The block-sparse operation is implemented for use on graphics cards. Its speed is compared with two dense operations of the same caliber to demonstrate and measure the actual efficiency gain that can be obtained. A deep model using these block-sparse operations controlled by a distinct gater is trained on a dataset of one billion words. A new algorithm for data partitioning (clustering) is applied to a set of words to organize the output layer of a language model into a conditional hierarchy, thereby making it much more efficient. The work presented in this thesis is central to the vision of distributed conditional computation as issued by Yoshua Bengio. It attempts to apply research in the area of mixture of experts to deep models to improve their speed and their optimization capacity. We believe that the theory and experiments of this thesis are an important step on the path to distributed conditional computation because it provides a good framework for the problem, especially concerning competitiveness inherent to systems of experts.