Nouveaux algorithmes et optimisations pour le développement de modèles interactives

New Algorithms and Optimizations for Human-in-the-Loop Model Development

• Auteur / Autrice : Luciano Di palma
• Direction : Yanlei Diao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Sihem Amer-Yahia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yanlei Diao, Michèle Sebag, Madalina Fiterau, Anna Liu, Ping Ma
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sihem Amer-Yahia, Michèle Sebag

Mots clés

Mots clés contrôlés

Factorisation

Données massives

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Development de Modèles intéractifs

Big Data

Active Learning

Methodes a noyau

Version Space

Factorization

Interactive Model Development

Big Data

Active Learning

Kernel methods

Version Space

Factorization

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons un cadre "human-in-the-loop" pour le développement efficace de modèles sur de grands ensembles de données. Dans ce cadre, nous visons à appliquer des algorithmes d'apprentissage actif pour sélectionner une petite séquence d'instances de données que l'utilisateur doit étiqueter et dériver un modèle précis, tout en offrant une performance interactive en présentant l'instance de données suivante pour examen. Cependant, les techniques d'apprentissage actif existantes ne parviennent souvent pas à fournir des performances satisfaisantes lorsqu'elles sont construites sur de grands ensembles de données. Non seulement ces modèles nécessitent souvent des centaines d'instances de données étiquetées pour atteindre un niveau de précision élevé, mais la récupération de l'instance suivante à étiqueter peut prendre beaucoup de temps, ce qui la rend incompatible avec la nature interactive du processus d'exploration humain. Pour résoudre ces problèmes, nous proposons les contributions suivantes :1) Un nouveau cadre théorique qui permet une mise en œuvre efficace de la stratégie de recherche binaire généralisée sur les classificateurs à noyau. Par rapport aux travaux précédents, notre cadre offre à la fois de solides garanties théoriques sur les performances et une mise en œuvre efficace en temps et en espace.2) Un algorithme VS optimisé appelé OptVS qui utilise l'algorithme hit-and-run pour échantillonner l'espace des versions. Nous développons également une série d'optimisations de l'échantillonnage pour améliorer à la fois la qualité de l'échantillon et le temps d'exécution. Dans la pratique, nous observons qu'OptVS atteint des performances similaires ou supérieures à celles des algorithmes d'espace de version de l'état de l'art tout en fonctionnant en permanence en dessous d'une seconde par itération.3) Un nouvel algorithme qui exploite la structure de factorisation fournie par l'utilisateur pour créer des sous-espaces et factoriser l'espace de version en conséquence pour effectuer un apprentissage actif dans les sous-espaces. Nous fournissons également des résultats théoriques sur l'optimalité de notre algorithme VS factorisé et des optimisations pour traiter les variables catégorielles. Nos résultats d'évaluation montrent que, pour tous les modèles d'utilisateurs considérés, notre algorithme VS factorisé surpasse les apprenants actifs non factorisés ainsi que DSM, un autre algorithme prenant en compte la factorisation, souvent par une large marge tout en maintenant la vitesse interactive.4) En suivant le raisonnement intuitif derrière le processus de prise de décision de l'utilisateur, nous développons un nouvel algorithme de classification inspiré par l'homme, appelé le modèle linéaire factorisé (FLM), qui décompose l'intérêt de l'utilisateur comme une combinaison d'objets convexes de faible dimension, résultant en un classificateur précis, efficace et interprétable. En pratique, nous observons que le classificateur FLM atteint des performances comparables ou supérieures à celles du SVM et d'un autre modèle interprétable, VIPR, pour la majorité des modèles d'intérêt de l'utilisateur, tout en prenant seulement quelques minutes pour s'entraîner sur un grand ensemble de données de près d'un million de points.5) Une nouvelle stratégie d'apprentissage actif factorisé automatiquement appelée l'algorithme de permutation. Cette technique utilise initialement OptVS pour échapper à la convergence lente des itérations initiales, puis passe à une stratégie basée sur FLM pour profiter de sa précision de classification supérieure. Notre évaluation montre que l'algorithme de permutation atteint des performances similaires ou supérieures à celles des apprenants actifs non factorisés tout en s'approchant des méthodes explicitement factorisées.

In this thesis, we propose a human-in-the-loop framework for efficient model development over large data sets. In this framework, we aim to apply active learning algorithms to select a small sequence of data instances for the user to label and derive an accurate model while, at the same time, offering interactive performance in presenting the next data instance for reviewing. However, existing active learning techniques often fail to provide satisfactory performance when built over large data sets. Not only such models often require hundreds of labeled data instances to reach high accuracy, but retrieving the next instance to label can be time-consuming, making it incompatible with the interactive nature of the human exploration process. To address these issues, we propose the following contributions:1) A new theoretical framework that allows for an efficient implementation of the Generalized Binary Search strategy over kernel classifiers. Compared to previous work, our framework offers both strong theoretical guarantees on performance and efficient implementation in time and space.2) An optimized VS algorithm called OptVS that uses the hit-and-run algorithm for sampling the version space. We also develop a range of sampling optimizations to improve both sample quality and running time. In practice, we observe that OptVS achieves similar or better performance than state-of-the-art version space algorithms while running under 1 second per iteration at all times.3) A new algorithm that leverages the factorization structure provided by the user to create subspaces and factorizes the version space accordingly to perform active learning in the subspaces. We also provide theoretical results on the optimality of our factorized VS algorithm and optimizations for dealing with categorical variables. Our evaluation results show that, for all user patterns considered, our factorized VS algorithm outperforms non-factorized active learners as well as DSM, another factorization-aware algorithm, often by a wide margin while maintaining interactive speed.4) Following the intuitive reasoning behind the user decision-making process, we develop a new human-inspired classification algorithm, called the Factorized Linear Model (FLM), that decomposes the user interest as a combination of low-dimensional convex objects, resulting in an accurate, efficient, and interpretable classifier. In practice, we observe that the FLM classifier achieves comparable or better performance than SVM and another interpretable model, VIPR, over the majority of user interest patterns while taking only a few minutes to train over a large data set of nearly one million points.5) A novel automatically factorized active learning strategy called the Swapping Algorithm. This technique initially employs OptVS to escape the slow convergence of initial iterations and then swaps to an FLM-based strategy to take advantage of its higher classification accuracy. Our evaluation shows that the Swapping Algorithm achieves similar or better performance than non-factorized active learners while approximating the explicitly factorized methods.