Apprentissage de Structure de Modèles Graphiques Probabilistes : application à la Classification Multi-Label

par Maxime Gasse

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Alexandre Aussem et de Haytham Elghazel.

Soutenue le 13-01-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône) (laboratoire) et de Data Mining and Machine Learning (laboratoire) .

Le président du jury était Céline Robardet.

Le jury était composé de Élisa Fromont, Willem Waegeman, Véronique Delcroix.

Les rapporteurs étaient Christophe Gonzales, Jose M. Peña.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème spécifique de l'apprentissage de structure de modèles graphiques probabilistes, c'est-à-dire trouver la structure la plus efficace pour représenter une distribution, à partir seulement d'un ensemble d'échantillons D ∼ p(v). Dans une première partie, nous passons en revue les principaux modèles graphiques probabilistes de la littérature, des plus classiques (modèles dirigés, non-dirigés) aux plus avancés (modèles mixtes, cycliques etc.). Puis nous étudions particulièrement le problème d'apprentissage de structure de modèles dirigés (réseaux Bayésiens), et proposons une nouvelle méthode hybride pour l'apprentissage de structure, H2PC (Hybrid Hybrid Parents and Children), mêlant une approche à base de contraintes (tests statistiques d'indépendance) et une approche à base de score (probabilité postérieure de la structure). Dans un second temps, nous étudions le problème de la classification multi-label, visant à prédire un ensemble de catégories (vecteur binaire y P (0, 1)m) pour un objet (vecteur x P Rd). Dans ce contexte, l'utilisation de modèles graphiques probabilistes pour représenter la distribution conditionnelle des catégories prend tout son sens, particulièrement dans le but minimiser une fonction coût complexe. Nous passons en revue les principales approches utilisant un modèle graphique probabiliste pour la classification multi-label (Probabilistic Classifier Chain, Conditional Dependency Network, Bayesian Network Classifier, Conditional Random Field, Sum-Product Network), puis nous proposons une approche générique visant à identifier une factorisation de p(y|x) en distributions marginales disjointes, en s'inspirant des méthodes d'apprentissage de structure à base de contraintes. Nous démontrons plusieurs résultats théoriques, notamment l'unicité d'une décomposition minimale, ainsi que trois procédures quadratiques sous diverses hypothèses à propos de la distribution jointe p(x, y). Enfin, nous mettons en pratique ces résultats afin d'améliorer la classification multi-label avec les fonctions coût F-loss et zero-one loss

  • Titre traduit

    Probabilistic Graphical Model Structure Learning : Application to Multi-Label Classification


  • Résumé

    In this thesis, we address the specific problem of probabilistic graphical model structure learning, that is, finding the most efficient structure to represent a probability distribution, given only a sample set D ∼ p(v). In the first part, we review the main families of probabilistic graphical models from the literature, from the most common (directed, undirected) to the most advanced ones (chained, mixed etc.). Then we study particularly the problem of learning the structure of directed graphs (Bayesian networks), and we propose a new hybrid structure learning method, H2PC (Hybrid Hybrid Parents and Children), which combines a constraint-based approach (statistical independence tests) with a score-based approach (posterior probability of the structure). In the second part, we address the multi-label classification problem, which aims at assigning a set of categories (binary vector y P (0, 1)m) to a given object (vector x P Rd). In this context, probabilistic graphical models provide convenient means of encoding p(y|x), particularly for the purpose of minimizing general loss functions. We review the main approaches based on PGMs for multi-label classification (Probabilistic Classifier Chain, Conditional Dependency Network, Bayesian Network Classifier, Conditional Random Field, Sum-Product Network), and propose a generic approach inspired from constraint-based structure learning methods to identify the unique partition of the label set into irreducible label factors (ILFs), that is, the irreducible factorization of p(y|x) into disjoint marginal distributions. We establish several theoretical results to characterize the ILFs based on the compositional graphoid axioms, and obtain three generic procedures under various assumptions about the conditional independence properties of the joint distribution p(x, y). Our conclusions are supported by carefully designed multi-label classification experiments, under the F-loss and the zero-one loss functions


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