Contributions à l'usage des proportions analogiques pour l'apprentissage artificiel : propriétés théoriques et application à la recommandation

Contributions to the use of analogical proportions for machine learning : theoretical properties and application to recommendation

• Auteur / Autrice : Nicolas Hug
• Direction : Gilles Richard, Mathieu Serrurier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Intelligence artificielle
• Date : Soutenance le 05/07/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mathématiques et Informatique Appliquées (Toulouse) - Institut de Recherches en Informatique de Toulouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Appareils commandés par ordinateur

Calculateurs analogiques

Mots clés libres

Apprentissage artificiel

Proportions analogiques

Recommandation

Machine learning

Analogical proportions

Recommendation

Résumé

Le raisonnement par analogie est reconnu comme une des principales caractéristiques de l'intelligence humaine. En tant que tel, il a pendant longtemps été étudié par les philosophes et les psychologues, mais de récents travaux s'intéressent aussi à sa modélisation d'un point de vue formel à l'aide de proportions analogiques, permettant l'implémentation de programmes informatiques. Nous nous intéressons ici à l'utilisation des proportions analogiques à des fins prédictives, dans un contexte d'apprentissage artificiel. Dans de récents travaux, les classifieurs analogiques ont montré qu'ils sont capables d'obtenir d'excellentes performances sur certains problèmes artificiels, là où d'autres techniques traditionnelles d'apprentissage se montrent beaucoup moins efficaces. Partant de cette observation empirique, cette thèse s'intéresse à deux axes principaux de recherche. Le premier sera de confronter le raisonnement par proportion analogique à des applications pratiques, afin d'étudier la viabilité de l'approche analogique sur des problèmes concrets. Le second axe de recherche sera d'étudier les classifieurs analogiques d'un point de vue théorique, car jusqu'à présent ceux-ci n'étaient connus que grâce à leurs définitions algorithmiques. Les propriétés théoriques qui découleront nous permettront de comprendre plus précisément leurs forces, ainsi que leurs faiblesses. Comme domaine d'application, nous avons choisi celui des systèmes de recommandation. On reproche souvent à ces derniers de manquer de nouveauté ou de surprise dans les recommandations qui sont adressées aux utilisateurs. Le raisonnement par analogie, capable de mettre en relation des objets en apparence différents, nous est apparu comme un outil potentiel pour répondre à ce problème. Nos expériences montreront que les systèmes analogiques ont tendance à produire des recommandations d'une qualité comparable à celle des méthodes existantes, mais que leur complexité algorithmique cubique les pénalise trop fortement pour prétendre à des applications pratiques où le temps de calcul est une des contraintes principales. Du côté théorique, une contribution majeure de cette thèse est de proposer une définition fonctionnelle des classifieurs analogiques, qui a la particularité d'unifier les approches préexistantes. Cette définition fonctionnelle nous permettra de clairement identifier les liens sous-jacents entre l'approche analogique et l'approche par k plus-proches-voisins, tant au plan algorithmique de haut niveau qu'au plan des propriétés théoriques (taux d'erreur notamment). De plus, nous avons pu identifier un critère qui rend l'application de notre principe d'inférence analogique parfaitement certaine (c'est-à-dire sans erreur), exhibant ainsi les propriétés linéaires du raisonnement par analogie.

Analogical reasoning is recognized as a core component of human intelligence. It has been extensively studied from philosophical and psychological viewpoints, but recent works also address the modeling of analogical reasoning for computational purposes, particularly focused on analogical proportions. We are interested here in the use of analogical proportions for making predictions, in a machine learning context. In recent works, analogy-based classifiers have achieved noteworthy performances, in particular by performing well on some artificial problems where other traditional methods tend to fail. Starting from this empirical observation, the goal of this thesis is twofold. The first topic of research is to assess the relevance of analogical learners on real-world, practical application problems. The second topic is to exhibit meaningful theoretical properties of analogical classifiers, which were yet only empirically studied. The field of application that was chosen for assessing the suitability of analogical classifiers in real-world setting is the topic of recommender systems. A common reproach addressed towards recommender systems is that they often lack of novelty and diversity in their recommendations. As a way of establishing links between seemingly unrelated objects, analogy was thought as a way to overcome this issue. Experiments here show that while offering sometimes similar accuracy performances to those of basic classical approaches, analogical classifiers still suffer from their algorithmic complexity. On the theoretical side, a key contribution of this thesis is to provide a functional definition of analogical classifiers, that unifies the various pre-existing approaches. So far, only algorithmic definitions were known, making it difficult to lead a thorough theoretical study. From this functional definition, we clearly identified the links between our approach and that of the nearest neighbors classifiers, in terms of process and in terms of accuracy. We were also able to identify a criterion that ensures a safe application of our analogical inference principle, which allows us to characterize analogical reasoning as some sort of linear process.