Fully bayesian structure learning of bayesian networks and their hypergraph extensions

par Sagnik Datta

Thèse de doctorat en Biomécanique, Bio-Ingénierie

Sous la direction de Frédéric Bois, Éric Leclerc et de Ghislaine Gayraud.

Soutenue le 07-07-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

  • Titre traduit

    Estimation bayésienne de la structure des réseaux bayésiens puis d'hypergraphes


  • Résumé

    Dans cette thèse, j’aborde le problème important de l’estimation de la structure des réseaux complexes, à l’aide de la classe des modèles stochastiques dits réseaux Bayésiens. Les réseaux Bayésiens permettent de représenter l’ensemble des relations d’indépendance conditionnelle. L’apprentissage statistique de la structure de ces réseaux complexes par les réseaux Bayésiens peut révéler la structure causale sous-jacente. Il peut également servir pour la prédiction de quantités qui sont difficiles, coûteuses, ou non éthiques comme par exemple le calcul de la probabilité de survenance d’un cancer à partir de l’observation de quantités annexes, plus faciles à obtenir. Les contributions de ma thèse consistent en : (A) un logiciel développé en langage C pour l’apprentissage de la structure des réseaux bayésiens; (B) l’introduction d’un nouveau "jumping kernel" dans l’algorithme de "Metropolis-Hasting" pour un échantillonnage rapide de réseaux; (C) l’extension de la notion de réseaux Bayésiens aux structures incluant des boucles et (D) un logiciel spécifique pour l’apprentissage des structures cycliques. Notre principal objectif est l’apprentissage statistique de la structure de réseaux complexes représentée par un graphe et par conséquent notre objet d’intérêt est cette structure graphique. Un graphe est constitué de nœuds et d’arcs. Tous les paramètres apparaissant dans le modèle mathématique et différents de ceux qui caractérisent la structure graphique sont considérés comme des paramètres de nuisance.


  • Résumé

    In this thesis, I address the important problem of the determination of the structure of complex networks, with the widely used class of Bayesian network models as a concrete vehicle of my ideas. The structure of a Bayesian network represents a set of conditional independence relations that hold in the domain. Learning the structure of the Bayesian network model that represents a domain can reveal insights into its underlying causal structure. Moreover, it can also be used for prediction of quantities that are difficult, expensive, or unethical to measure such as the probability of cancer based on other quantities that are easier to obtain. The contributions of this thesis include (A) a software developed in C language for structure learning of Bayesian networks; (B) introduction a new jumping kernel in the Metropolis-Hasting algorithm for faster sampling of networks (C) extending the notion of Bayesian networks to structures involving loops and (D) a software developed specifically to learn cyclic structures. Our primary objective is structure learning and thus the graph structure is our parameter of interest. We intend not to perform estimation of the parameters involved in the mathematical models.

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