Les systèmes statistiques de traduction automatique ont pour tâche la traduction d’une langue source vers une langue cible. Dans la plupart des systèmes de traduction de référence, l'unité de base considérée dans l'analyse textuelle est la forme telle qu’observée dans un texte. Une telle conception permet d’obtenir une bonne performance quand il s'agit de traduire entre deux langues morphologiquement pauvres. Toutefois, ceci n'est plus vrai lorsqu’il s’agit de traduire vers une langue morphologiquement riche (ou complexe). Le but de notre travail est de développer un système statistique de traduction automatique comme solution pour relever les défis soulevés par la complexité morphologique. Dans ce mémoire, nous examinons, dans un premier temps, un certain nombre de méthodes considérées comme des extensions aux systèmes de traduction traditionnels et nous évaluons leurs performances. Cette évaluation est faite par rapport aux systèmes à l’état de l’art (système de référence) et ceci dans des tâches de traduction anglais-inuktitut et anglais-finnois. Nous développons ensuite un nouvel algorithme de segmentation qui prend en compte les informations provenant de la paire de langues objet de la traduction. Cet algorithme de segmentation est ensuite intégré dans le modèle de traduction à base d’unités lexicales « Phrase-Based Models » pour former notre système de traduction à base de séquences de segments. Enfin, nous combinons le système obtenu avec des algorithmes de post-traitement pour obtenir un système de traduction complet. Les résultats des expériences réalisées dans ce mémoire montrent que le système de traduction à base de séquences de segments proposé permet d’obtenir des améliorations significatives au niveau de la qualité de la traduction en terme de le métrique d’évaluation BLEU (Papineni et al., 2002) et qui sert à évaluer. Plus particulièrement, notre approche de segmentation réussie à améliorer légèrement la qualité de la traduction par rapport au système de référence et une amélioration significative de la qualité de la traduction est observée par rapport aux techniques de prétraitement de base (baseline). / Statistical Machine Translation systems have been designed to translate text from a source language into a target one. In most of the benchmark translation systems, the basic unit considered in the textual analysis is the observed textual form of a word. While such a design provides good performance when it comes to translation between two morphologically poor languages, this is not the case when translating into or from a morphologically rich (or complex) language. The purpose of our work is to develop a Statistical Machine Translation (SMT) system as an alternative solution to the many challenges raised by morphological complexity. Our system has the potentials to capture the morphological diversity and hence, to produce efficient translation from a morphologically poor language to a rich one. Several methods have been designed to accomplish such a task. Pre-processing and Post-processing techniques have been built-in to these methods to allow for morphological information to improve translation quality. In this thesis, we first examine several methods of extending traditional SMT models and assess their power of producing better output by comparing them on English-Inuktitut and English-Finnish translation tasks. In a second step we develop a new morphologically aware segmentation algorithm that takes into account information coming from both languages to segment the morphologically rich language. This is done in order to enhance the quality of alignments and consequently the translation itself. This bilingual segmentation algorithm is then incorporated into the phrase-based translation model “PBM” to form our segmentation-based system. Finally we combine the segmentation-based system thus obtained with post-processing algorithms to procure our complete translation system. Our experiments show that the proposed segmentation-based system slightly outperforms the baseline translation system which doesn’t use any preprocessing techniques. It turns out also that our segmentation approach significantly surpasses the preprocessing baseline techniques used in this thesis.

Les systèmes statistiques de traduction automatique ont pour tâche la traduction d’une langue source vers une langue cible. Dans la plupart des systèmes de traduction de référence, l'unité de base considérée dans l'analyse textuelle est la forme telle qu’observée dans un texte. Une telle conception permet d’obtenir une bonne performance quand il s'agit de traduire entre deux langues morphologiquement pauvres. Toutefois, ceci n'est plus vrai lorsqu’il s’agit de traduire vers une langue morphologiquement riche (ou complexe). Le but de notre travail est de développer un système statistique de traduction automatique comme solution pour relever les défis soulevés par la complexité morphologique. Dans ce mémoire, nous examinons, dans un premier temps, un certain nombre de méthodes considérées comme des extensions aux systèmes de traduction traditionnels et nous évaluons leurs performances. Cette évaluation est faite par rapport aux systèmes à l’état de l’art (système de référence) et ceci dans des tâches de traduction anglais-inuktitut et anglais-finnois. Nous développons ensuite un nouvel algorithme de segmentation qui prend en compte les informations provenant de la paire de langues objet de la traduction. Cet algorithme de segmentation est ensuite intégré dans le modèle de traduction à base d’unités lexicales « Phrase-Based Models » pour former notre système de traduction à base de séquences de segments. Enfin, nous combinons le système obtenu avec des algorithmes de post-traitement pour obtenir un système de traduction complet. Les résultats des expériences réalisées dans ce mémoire montrent que le système de traduction à base de séquences de segments proposé permet d’obtenir des améliorations significatives au niveau de la qualité de la traduction en terme de le métrique d’évaluation BLEU (Papineni et al., 2002) et qui sert à évaluer. Plus particulièrement, notre approche de segmentation réussie à améliorer légèrement la qualité de la traduction par rapport au système de référence et une amélioration significative de la qualité de la traduction est observée par rapport aux techniques de prétraitement de base (baseline). / Statistical Machine Translation systems have been designed to translate text from a source language into a target one. In most of the benchmark translation systems, the basic unit considered in the textual analysis is the observed textual form of a word. While such a design provides good performance when it comes to translation between two morphologically poor languages, this is not the case when translating into or from a morphologically rich (or complex) language. The purpose of our work is to develop a Statistical Machine Translation (SMT) system as an alternative solution to the many challenges raised by morphological complexity. Our system has the potentials to capture the morphological diversity and hence, to produce efficient translation from a morphologically poor language to a rich one. Several methods have been designed to accomplish such a task. Pre-processing and Post-processing techniques have been built-in to these methods to allow for morphological information to improve translation quality. In this thesis, we first examine several methods of extending traditional SMT models and assess their power of producing better output by comparing them on English-Inuktitut and English-Finnish translation tasks. In a second step we develop a new morphologically aware segmentation algorithm that takes into account information coming from both languages to segment the morphologically rich language. This is done in order to enhance the quality of alignments and consequently the translation itself. This bilingual segmentation algorithm is then incorporated into the phrase-based translation model “PBM” to form our segmentation-based system. Finally we combine the segmentation-based system thus obtained with post-processing algorithms to procure our complete translation system. Our experiments show that the proposed segmentation-based system slightly outperforms the baseline translation system which doesn’t use any preprocessing techniques. It turns out also that our segmentation approach significantly surpasses the preprocessing baseline techniques used in this thesis.

<p> The Bias-Variance Trade-off, where restricting the size of a hypothesis class can limit the generalization error of a model, is a canonical problem in Machine Learning, and a particular issue for high-variance models like Neural Networks that do not have enough parameters to enter the interpolating regime. Regularization techniques add bias to a model to lower testing error at the cost of increasing training error. This paper applies quantum circuits as activation functions in order to regularize a Feed-Forward Neural Network. The network using Quantum Activation Functions is compared against a network of the same dimensions except using Rectified Linear Unit (ReLU) activation functions, which can fit any arbitrary function. The Quantum Activation Function network is then shown to have comparable training performance to ReLU networks, both with and without regularization, for the tasks of binary classification, polynomial regression, and regression on a multicollinear dataset, which is a dataset whose design matrix is rank-deficient. The Quantum Activation Function network is shown to achieve regularization comparable to networks with L2-Regularization, the most commonly used method for neural network regularization today, with regularization parameters in the range of λ ∈ [.1, .5], while still allowing the model to maintain enough variance to achieve low training error. While there are limitations to the current physical implementation of quantum computers, there is potential for future architecture, or hardware-based, regularization methods that leverage the aspects of quantum circuits that provide lower generalization error. </p>

[ES] Esta tesis, desarrollada bajo una beca de formación de personal investigador de la Universitat Politècnica de València, tiene como objetivo proponer y aplicar metodologías de Statistical Machine Learning en contextos de Ingeniería Biomédica. Este concepto pretende aunar el uso de modelos de aprendizaje automático junto con la búsqueda de comprensión e interpretabilidad clásica del razonamiento estadístico, dando lugar a soluciones tecnológicas de problemas biomédicos que no pasen únicamente por el objetivo de optimizar el desempeño predictivo de los modelos. Para ello, se han dibujado dos objetivos principales que vertebran además el documento: proponer metodologías novedosas dentro del paraguas del Statistical Machine Learning, y aplicar soluciones a problemas biomédicos reales manteniendo esta filosofía en mente. Estos objetivos se han materializado en contribuciones metodológicas para la simulación de valores atípicos y la imputación de datos faltantes en presencia de datos atípicos, y en contribuciones aplicadas a casos reales para la mejora de procesos de atención médica, la mejora en el diagnóstico y pronóstico de enfermedades, y la estandarización de procedimientos de medición en entornos biotecnológicos. Dichas contribuciones se han artículado en capítulos correspondientes a las dos partes principales ya mencionadas. Finalmente, las conclusiones y líneas futuras cierran el documento, recalcando los mensajes principales de las contribuciones de la tesis doctoral en general, y sentando además las bases para líneas futuras que se han dibujado a consecuencia del trabajo realizado a lo largo del doctorado. / [CA] Aquesta tesi, desenvolupada sota una beca de formació de personal investigador de la Universitat Politècnica de València, té com a objectiu proposar i aplicar metodologies de Statistical Machine Learning en contextos d'Enginyeria Biomèdica. Aquest concepte pretén unir l'ús de models d'aprenentatge automàtic juntament amb la cerca de comprensió i interpretació clàssica del raonament estadístic, donant lloc a solucions tecnològiques de problemes biomèdics que no passen únicament per l'objectiu d'optimitzar el rendiment predictiu dels models. Per a això, s'han dibuixat dos objectius principals que vertebren a més el document: proposar metodologies noves dins del paraigua del Statistical Machine Learning, i aplicar solucions a problemes biomèdics reals mantenint aquesta filosofia en ment. Aquests objectius s'han materialitzat en contribucions metodològiques per a la simulació de valors atípics i la imputació de dades mancants en presència de valors atípics, i en contribucions aplicades a casos reals per a la millora de processos d'atenció mèdica, la millora en el diagnòstic i pronòstic de malalties, i l'estandardització de procediments de mesurament en entorns biotecnològics. Aquestes contribucions s'han articulat en capítols corresponents a les dues parts principals ja esmentades. Finalment, les conclusions i línies futures tanquen el document, recalant els missatges principals de les contribucions, de la tesi doctoral en general, i assentant a més les bases per a línies futures que s'han dibuixat com a consequència del treball realitzat al llarg del doctorat. / [EN] This thesis, developed under a research personnel formation grant from the Universitat Politècnica de València, aims to propose and apply methodologies of Statistical Machine Learning in Biomedical Engineering contexts. This concept seeks to combine machine learning models with the classic understanding and interpretability of statistical reasoning, resulting in technological solutions for biomedical problems that go beyond solely optimizing the predictive performance of models. To achieve this, two main objectives have been outlined, which also structure the document: proposing novel methodologies within the umbrella of Statistical Machine Learning and applying solutions to real biomedical problems while keeping this philosophy in mind. These objectives have materialized into methodological contributions for simulating outliers and imputing missing data in the presence of outliers and applied contributions to real cases for improving healthcare processes, enhancing disease diagnosis and prognosis, and standardizing measurement procedures in biotechnological environments. These contributions are articulated in chapters corresponding to the aforementioned two main parts. Finally, the conclusions and future lines of research conclude the document, reiterating the main messages of the contributions and the overall doctoral thesis and laying the groundwork for future lines of inquiry stemming from the work conducted throughout the doctorate. / González Cebrián, A. (2024). Statistical Machine Learning in Biomedical Engineering [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203529