Classification multi-classe et sélection de variables avec des données partiellement étiquetées

Learning with Partially Labeled Data for Multi-class Classification and Feature Selection

• Auteur / Autrice : Vasilii Feofanov
• Direction : Massih-Reza Amini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble (2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Algorithms, principles and theories for collaborative knowledge acquisition and learning (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Financement : IDEX - IRS
• Jury : Président / Présidente : Anatoli Juditsky
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mélina Gallopin, Laurent Besacier, Emilie Devijver
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence D'Alché-Buc, Pascal Germain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Classification

Sélection de variables

Apprentissage semi-Supervisé

Classification

Feature selection

Semi-Supervised learning

Résumé

L'apprentissage avec des données partiellement étiquetées, connu sous le nom d'apprentissage semi-supervisé, traite des problèmes où peu d'exemples de formation sont étiquetés alors que les données disponibles non étiquetées sont abondantes et précieuses pour la formation. Dans cette thèse, nous étudions ce cadre dans le cas de la classification multi-classes en mettant l'accent sur l'auto-apprentissage et la sélection de variables. L'auto-apprentissage est une approche classique qui attribue de manière itérative des pseudo-étiquettes à des exemples de formation non étiquetés avec un score de confiance supérieur à un seuil prédéterminé. Cette technique de pseudo-étiquetage est sujette aux erreurs et risque d'ajouter des étiquettes bruyantes dans des données d'apprentissage non étiquetées. Notre première contribution est de proposer un cadre théorique d'analyse de l'auto-apprentissage dans le cas multi-classes. Nous dérivons une borne transductive sur le risque du classificateur de vote majoritaire multi-classes et proposons d'utiliser cette borne pour choisir automatiquement le seuil de pseudo-étiquetage. Ensuite, nous introduisons un modèle d'erreur d'étiquetage pour analyser l'erreur du classificateur de vote majoritaire dans le cas des données pseudo-étiquetées. Nous dérivons une borne C probabiliste sur l'erreur de vote majoritaire étant donné une étiquette imparfaite. Notre deuxième contribution est une extension de la stratégie d'auto-apprentissage au cas où certains exemples non étiquetés proviennent de classes jamais vues auparavant. La nouvelle approche est appliquée pour la classification de données biologiques réelles, et elle est basée sur l'hypothèse de l'existence de clusters dans des données non étiquetées. Enfin, nous proposons une approche de sélection de variables semi-supervisée qui utilise l'auto-apprentissage pour augmenter la variété des données d'entraînement et une nouvelle modification de l'algorithme génétique pour effectuer une recherche de sous-ensembles de variables. L'algorithme génétique proposé produit à la fois une solution clairsemée et précise en tenant compte des pondérations des variables au cours de son processus évolutif et en supprimant de manière itérative les variables non pertinentes.

Learning with partially labeled data, known as semi-supervised learning, deals with problems where few training examples are labeled while available unlabeled data are abundant and valuable for training. In this thesis, we study this framework in the multi-class classification case with a focus on self-learning and feature selection. Self-learning is a classical approach that iteratively assigns pseudo-labels to unlabeled training examples with a confidence score above a predetermined threshold. This pseudo-labeling technique is prone to error and runs the risk of adding noisy labels into unlabeled training data. Our first contribution is to propose a theoretical framework for analyzing self-learning in the multi-class case. We derive a transductive bound over the risk of the multi-class majority vote classifier and propose to use this bound for automatically choosing the pseudo-labeling threshold. Then, we introduce a mislabeling error model to analyze the error of the majority vote classifier in the case of the pseudo-labeled data. We derive a probabilistic C-bound over the majority vote error given an imperfect label. Our second contribution is an extension of the self-learning strategy to the case where some unlabeled examples come from classes not previously seen. The new approach is applied for classification of real biological data, and it is based on assuming the existence of clusters in unlabeled data. Finally, we propose an approach for semi-supervised feature selection that utilizes self-learning to increase the variety of training data and a new modification of the genetic algorithm to perform a feature subset search. The proposed genetic algorithm produces both a sparse and accurate solution by considering feature weights during its evolutionary process and iteratively removing irrelevant features.