Convex matrix sparsity for demixing with an application to graphical model structure estimation

par Marina Vinyes

Thèse de doctorat en Signal, Image, Automatique

Sous la direction de Nikos Komodakis.

Soutenue le 27-11-2018

à Paris Est , dans le cadre de MSTIC : Mathématiques et Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (laboratoire) et de Laboratoire d'Informatique Gaspard-Monge / LIGM (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Philippe Chancelier.

Le jury était composé de Nikos Komodakis, Guillaume Obozinski, Claire Boyer.

Les rapporteurs étaient Alexandre d' Aspremont, René Vidal.

  • Titre traduit

    Parcimonie matricielle convexe pour les problèmes de démixage avec une application à l'apprentissage de structure de modèles graphiques


  • Résumé

    En apprentissage automatique on a pour but d'apprendre un modèle, à partir de données, qui soit capable de faire des prédictions sur des nouvelles données (pas explorées auparavant). Pour obtenir un modèle qui puisse se généraliser sur les nouvelles données, et éviter le sur-apprentissage, nous devons restreindre le modèle. Ces restrictions sont généralement une connaissance a priori de la structure du modèle. Les premières approches considérées dans la littérature sont la régularisation de Tikhonov et plus tard le Lasso pour induire de la parcimonie dans la solution. La parcimonie fait partie d'un concept fondamental en apprentissage automatique. Les modèles parcimonieux sont attrayants car ils offrent plus d'interprétabilité et une meilleure généralisation (en évitant le sur-apprentissage) en induisant un nombre réduit de paramètres dans le modèle. Au-delà de la parcimonie générale et dans de nombreux cas, les modèles sont structurellement contraints et ont une représentation simple de certains éléments fondamentaux, comme par exemple une collection de vecteurs, matrices ou tenseurs spécifiques. Ces éléments fondamentaux sont appelés atomes. Dans ce contexte, les normes atomiques fournissent un cadre général pour estimer ce type de modèles. périodes de modèles. Le but de cette thèse est d'utiliser le cadre de parcimonie convexe fourni par les normes atomiques pour étudier une forme de parcimonie matricielle. Tout d'abord, nous développons un algorithme efficace basé sur les méthodes de Frank-Wolfe et qui est particulièrement adapté pour résoudre des problèmes convexes régularisés par une norme atomique. Nous nous concentrons ensuite sur l'estimation de la structure des modèles graphiques gaussiens, où la structure du modèle est encodée dans la matrice de précision et nous étudions le cas avec des variables manquantes. Nous proposons une formulation convexe avec une approche algorithmique et fournissons un résultat théorique qui énonce les conditions nécessaires pour récupérer la structure souhaitée. Enfin, nous considérons le problème de démixage d'un signal en deux composantes ou plus via la minimisation d’une somme de normes ou de jauges, encodant chacune la structure a priori des composants à récupérer. En particulier, nous fournissons une garantie de récupération exacte dans le cadre sans bruit, basée sur des mesures d'incohérence


  • Résumé

    The goal of machine learning is to learn a model from some data that will make accurate predictions on data that it has not seen before. In order to obtain a model that will generalize on new data, and avoid overfitting, we need to restrain the model. These restrictions are usually some a priori knowledge of the structure of the model. First considered approaches included a regularization, first ridge regression and later Lasso regularization for inducing sparsity in the solution. Sparsity, also known as parsimony, has emerged as a fundamental concept in machine learning. Parsimonious models are appealing since they provide more interpretability and better generalization (avoid overfitting) through the reduced number of parameters. Beyond general sparsity and in many cases, models are constrained structurally so they have a simple representation in terms of some fundamental elements, consisting for example of a collection of specific vectors, matrices or tensors. These fundamental elements are called atoms. In this context, atomic norms provide a general framework for estimating these sorts of models. The goal of this thesis is to use the framework of convex sparsity provided by atomic norms to study a form of matrix sparsity. First, we develop an efficient algorithm based on Frank-Wolfe methods that is particularly adapted to solve problems with an atomic norm regularization. Then, we focus on the structure estimation of Gaussian graphical models, where the structure of the graph is encoded in the precision matrix and study the case with unobserved variables. We propose a convex formulation with an algorithmic approach and provide a theoretical result that states necessary conditions for recovering the desired structure. Finally, we consider the problem of signal demixing into two or more components via the minimization of a sum of norms or gauges, encoding each a structural prior on the corresponding components to recover. In particular, we provide general exact recovery guarantees in the noiseless setting based on incoherence measures


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