Ballstering : un algorithme de clustering dédié à de grands échantillons

Ballstering : a clustering algorithm for large datasets

• Auteur / Autrice : Vincent Courjault-Rade
• Direction : Stéphane Puechmorel, Ludovic d' Estampes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 17/04/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Bases de données -- Interrogation

Données massives

Mots clés libres

Partitionnement de données

Apprentissage non-supervisé

Apprentissage automatique

Fouille de données

Big data

Densité

Clustering

Clustering

Unsupervised learning

Machine learning

Big data

Density peak

Cluster

Résumé

Ballstering appartient à la famille des méthodes de machine learning qui ont pour but de regrouper en classes les éléments formant la base de données étudiée et ce sans connaissance au préalable des classes qu'elle contient. Ce type de méthodes, dont le représentant le plus connu est k-means, se rassemblent sous le terme de "partitionnement de données" ou "clustering". Récemment un algorithme de partitionnement "Fast Density Peak Clustering" (FDPC) paru dans le journal Science a suscité un intérêt certain au sein de la communauté scientifique pour son aspect innovant et son efficacité sur des données distribuées en groupes non-concentriques. Seulement cet algorithme présente une complexité telle qu'il ne peut être aisément appliqué à des données volumineuses. De plus nous avons pu identifier plusieurs faiblesses pouvant nuire très fortement à la qualité de ses résultats, dont en particulier la présence d'un paramètre général dc difficile à choisir et ayant malheureusement un impact non-négligeable. Compte tenu de ces limites, nous avons repris l'idée principale de FDPC sous un nouvel angle puis apporté successivement des modifications en vue d'améliorer ses points faibles. Modifications sur modifications ont finalement donné naissance à un algorithme bien distinct que nous avons nommé Ballstering. Le fruit de ces 3 années de thèse se résume principalement en la conception de ce dernier, un algorithme de partitionnement dérivé de FDPC spécialement conçu pour être efficient sur de grands volumes de données. Tout comme son précurseur, Ballstering fonctionne en deux phases: une phase d'estimation de densité suivie d'une phase de partitionnement. Son élaboration est principalement fondée sur la construction d'une sous-procédure permettant d'effectuer la première phase de FDPC avec une complexité nettement amoindrie tout évitant le choix de dc qui devient dynamique, déterminé suivant la densité locale. Nous appelons ICMDW cette sous-procédure qui représente une partie conséquente de nos contributions. Nous avons également remanié certaines des définitions au cœur de FDPC et revu entièrement la phase 2 en s'appuyant sur la structure arborescente des résultats fournis par ICDMW pour finalement produire un algorithme outrepassant toutes les limitations que nous avons identifié chez FDPC.

Ballstering belongs to the machine learning methods that aim to group in classes a set of objects that form the studied dataset, without any knowledge of true classes within it. This type of methods, of which k-means is one of the most famous representative, are named clustering methods. Recently, a new clustering algorithm "Fast Density Peak Clustering" (FDPC) has aroused great interest from the scientific community for its innovating aspect and its efficiency on non-concentric distributions. However this algorithm showed a such complexity that it can't be applied with ease on large datasets. Moreover, we have identified several weaknesses that impact the quality results and the presence of a general parameter dc difficult to choose while having a significant impact on the results. In view of those limitations, we reworked the principal idea of FDPC in a new light and modified it successively to finally create a distinct algorithm that we called Ballstering. The work carried out during those three years can be summarised by the conception of this clustering algorithm especially designed to be effective on large datasets. As its Precursor, Ballstering works in two phases: An estimation density phase followed by a clustering step. Its conception is mainly based on a procedure that handle the first step with a lower complexity while avoiding at the same time the difficult choice of dc, which becomes automatically defined according to local density. We name ICMDW this procedure which represent a consistent part of our contributions. We also overhauled cores definitions of FDPC and entirely reworked the second phase (relying on the graph structure of ICMDW's intermediate results), to finally produce an algorithm that overcome all the limitations that we have identified.