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Theses Year : 2013

Learning Majority Vote for Supervised Classification and Domain Adaptation: PAC-Bayesian Approaches and Similarity Combination

Apprentissage de vote de majorité pour la classification supervisée et l'adaptation de domaine : approches PAC-Bayésiennes et combinaison de similarités

Abstract

Nowadays, due to the expansion of the web a plenty of data are available and many applications need to make use of supervised machine learning methods able to take into account different information sources. For instance, for multimedia semantic indexing applications, one have to efficiently take advantage of information about color, textual, texture or sound sources of the document. Most of the existing methods try to combine these multimodal informations, either by directly fusionning the descriptors or by combining similarities or classifiers, in order to produce a classification model more reliable for the considered task. Usually, these multimodal facets imply two main issues. On the one hand, one have to be able to correctly make use of all the a priori information available. On the other hand, the data, on which the model will be applied, does not come from the same probability distribution than the data used during the learning step. In this context, we have to adapt the model on new data, which is known as domain adaptation. In this thesis, we propose several theoretically-founded contributions for tackle these issues. A first serie of contributions studies the problem of learning a weighted majority vote over a set of voters in a supervised classification setting.These results fall within the context of the PAC-Bayesian theory allowing to derive generalization abilities for such a vote by assuming an a priori on the relevance of the voters. Our first contribution aims at extending a recent algorithm, MinCq, minimizing a bound over the error of the majority vote in binary classification. This extension can take into account an a priori belief on the performances of the voters. This belief is expressed as an aligned distribution. We illustrate its usefulness for combining nearest neighbor classifiers, and for classifier fusion on a multimedia semantic indexing task. Then, we propose a theoretical contribution for multiclass classification tasks. Our approach is based on an original PAC-Bayesian analysis considering the operator norm of the confusion matrix as an error measure. Our second series of contributions relates to domain adaptation. In this situation we present our third result for combining similarities in order to infer a representation space for moving closer the learning distribution and the testing distribution. This contribution is based on the theory of learning from (epsilon,gamma,tau)-good similarity functions and is justified by the minimization of an usual bound in domain adaptation. For our last contribution, we propose the first PAC-Bayesian analysis for domain adaptation. This analysis is based on a consistent divergence measure between distributions allowing us to derive a generalization bound for learning majority votes in binary classification. Moreover, we propose a first algorithm specialized to linear classifiers and able to directly minimize our bound.
De nos jours, avec l'expansion d'Internet, l'abondance et la diversité des données accessibles qui en résulte, de nombreuses applications requièrent l'utilisation de méthodes d'apprentissage automatique supervisé capables de prendre en considération différentes sources d'informations. Par exemple, pour des applications relevant de l'indexation sémantique de documents multimédia, il s'agit de pouvoir efficacement tirer bénéfice d'informations liées à la couleur, au texte, à la texture ou au son des documents à traiter. La plupart des méthodes existantes proposent de combiner ces informations multimodales, soit en fusionnant directement les descriptions, soit en combinant des similarités ou des classifieurs, avec pour objectif de construire un modèle de classification automatique plus fiable pour la tâche visée. Ces aspects multimodaux induisent généralement deux types de difficultés. D'une part, il faut être capable d'utiliser au mieux toute l'information a priori disponible sur les objets à combiner. D'autre part, les données sur lesquelles le modèle doit être appliqué ne suivent nécessairement pas la même distribution de probabilité que les données utilisées lors de la phase d'apprentissage. Dans ce contexte, il faut être à même d'adapter le modèle à de nouvelles données, ce qui relève de l'adaptation de domaine. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs contributions fondées théoriquement et répondant à ces problématiques. Une première série de contributions s'intéresse à l'apprentissage de votes de majorité pondérés sur un ensemble de votants dans le cadre de la classification supervisée. Ces contributions s'inscrivent dans le contexte de la théorie PAC-Bayésienne permettant d'étudier les capacités en généralisation de tels votes de majorité en supposant un a priori sur la pertinence des votants. Notre première contribution vise à étendre un algorithme récent, MinCq, minimisant une borne sur l'erreur du vote de majorité en classification binaire. Cette extension permet de prendre en compte une connaissance a priori sur les performances des votants à combiner sous la forme d'une distribution alignée. Nous illustrons son intérêt dans une optique de combinaison de classifieurs de type plus proches voisins, puis dans une perspective de fusion de classifieurs pour l'indexation sémantique de documents multimédia. Nous proposons ensuite une contribution théorique pour des problèmes de classification multiclasse. Cette approche repose sur une analyse PAC-Bayésienne originale en considérant la norme opérateur de la matrice de confusion comme mesure de risque. Notre seconde série de contributions concerne la problématique de l'adaptation de domaine. Dans cette situation, nous présentons notre troisième apport visant à combiner des similarités permettant d'inférer un espace de représentation de manière à rapprocher les distributions des données d'apprentissage et des données à traiter. Cette contribution se base sur la théorie des fonctions de similarités (epsilon,gamma,tau)-bonnes et se justifie par la minimisation d'une borne classique en adaptation de domaine. Pour notre quatrième et dernière contribution, nous proposons la première analyse PAC-Bayésienne appropriée à l'adaptation de domaine. Cette analyse se base sur une mesure consistante de divergence entre distributions permettant de dériver une borne en généralisation pour l'apprentissage de votes de majorité en classification binaire. Elle nous permet également de proposer un algorithme adapté aux classifieurs linéaires capable de minimiser cette borne de manière directe.
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Dates and versions

tel-00879072 , version 1 (31-10-2013)

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  • HAL Id : tel-00879072 , version 1

Cite

Emilie Morvant. Apprentissage de vote de majorité pour la classification supervisée et l'adaptation de domaine : approches PAC-Bayésiennes et combinaison de similarités. Apprentissage [cs.LG]. Aix-Marseille Université, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00879072⟩
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