Sélection de variables pour l’analyse des données semi-supervisées dans les systèmes d’Information décisionnels

Feature selection for semi-supervised data analysis in decisional information systems

• Auteur / Autrice : Mohammed Hindawi
• Direction : Alexandre Aussem, Jean-François Boulicaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/02/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....) - Laboratoire d'InfoRmatique en Images et Systèmes d'Information / LIRIS
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Nadif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Aussem, Jean-François Boulicaut, Mohamed Nadif, Younès Bennani, Yann Guermeur, Khalid Benabdeslem, Yves Lechevallier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Younès Bennani, Yann Guermeur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fouille de données

Mots clés libres

Informatique

Intelligence artificielle

Fouille de données

Selection de variables

Données semi supervisées

Redondance

Réduction de dimension

Information DataTechnology

Artificial intelligence

Data mining

Semi-Supervised data

Redundancy

Dimensionality reduction

Résumé

La sélection de variables est une tâche primordiale en fouille de données et apprentissage automatique. Il s’agit d’une problématique très bien connue par les deux communautés dans les contextes, supervisé et non-supervisé. Le contexte semi-supervisé est relativement récent et les travaux sont embryonnaires. Récemment, l’apprentissage automatique a bien été développé à partir des données partiellement labélisées. La sélection de variables est donc devenue plus importante dans le contexte semi-supervisé et plus adaptée aux applications réelles, où l’étiquetage des données est devenu plus couteux et difficile à obtenir. Dans cette thèse, nous présentons une étude centrée sur l’état de l’art du domaine de la sélection de variable en s’appuyant sur les méthodes qui opèrent en mode semi-supervisé par rapport à celles des deux contextes, supervisé et non-supervisé. Il s’agit de montrer le bon compromis entre la structure géométrique de la partie non labélisée des données et l’information supervisée de leur partie labélisée. Nous nous sommes particulièrement intéressés au «small labeled-sample problem» où l’écart est très important entre les deux parties qui constituent les données. Pour la sélection de variables dans ce contexte semi-supervisé, nous proposons deux familles d’approches en deux grandes parties. La première famille est de type «Filtre» avec une série d’algorithmes qui évaluent la pertinence d’une variable par une fonction de score. Dans notre cas, cette fonction est basée sur la théorie spectrale de graphe et l’intégration de contraintes qui peuvent être extraites à partir des données en question. La deuxième famille d’approches est de type «Embedded» où la sélection de variable est intrinsèquement liée à un modèle d’apprentissage. Pour ce faire, nous proposons des algorithmes à base de pondération de variables dans un paradigme de classification automatique sous contraintes. Deux visions sont développées à cet effet, (1) une vision globale en se basant sur la satisfaction relaxée des contraintes intégrées directement dans la fonction objective du modèle proposé ; et (2) une deuxième vision, qui est locale et basée sur le contrôle stricte de violation de ces dites contraintes. Les deux approches évaluent la pertinence des variables par des poids appris en cours de la construction du modèle de classification. En outre de cette tâche principale de sélection de variables, nous nous intéressons au traitement de la redondance. Pour traiter ce problème, nous proposons une méthode originale combinant l’information mutuelle et un algorithme de recherche d’arbre couvrant construit à partir de variables pertinentes en vue de l’optimisation de leur nombre au final. Finalement, toutes les approches développées dans le cadre de cette thèse sont étudiées en termes de leur complexité algorithmique d’une part et sont validés sur des données de très grande dimension face et des méthodes connues dans la littérature d’autre part.

Feature selection is an important task in data mining and machine learning processes. This task is well known in both supervised and unsupervised contexts. The semi-supervised feature selection is still under development and far from being mature. In general, machine learning has been well developed in order to deal with partially-labeled data. Thus, feature selection has obtained special importance in the semi-supervised context. It became more adapted with the real world applications where labeling process is costly to obtain. In this thesis, we present a literature review on semi-supervised feature selection, with regard to supervised and unsupervised contexts. The goal is to show the importance of compromising between the structure from unlabeled part of data, and the background information from their labeled part. In particular, we are interested in the so-called «small labeled-sample problem» where the difference between both data parts is very important. In order to deal with the problem of semi-supervised feature selection, we propose two groups of approaches. The first group is of «Filter» type, in which, we propose some algorithms which evaluate the relevance of features by a scoring function. In our case, this function is based on spectral-graph theory and the integration of pairwise constraints which can be extracted from the data in hand. The second group of methods is of «Embedded» type, where feature selection becomes an internal function integrated in the learning process. In order to realize embedded feature selection, we propose algorithms based on feature weighting. The proposed methods rely on constrained clustering. In this sense, we propose two visions, (1) a global vision, based on relaxed satisfaction of pairwise constraints. This is done by integrating the constraints in the objective function of the proposed clustering model; and (2) a second vision, which is local and based on strict control of constraint violation. Both approaches evaluate the relevance of features by weights which are learned during the construction of the clustering model. In addition to the main task which is feature selection, we are interested in redundancy elimination. In order to tackle this problem, we propose a novel algorithm based on combining the mutual information with maximum spanning tree-based algorithm. We construct this tree from the relevant features in order to optimize the number of these selected features at the end. Finally, all proposed methods in this thesis are analyzed and their complexities are studied. Furthermore, they are validated on high-dimensional data versus other representative methods in the literature.