Regularization Path Algorithm for Statistical Learning
Algorithme de Chemin de Régularisation pour l'apprentissage Statistique
Résumé
The selection of a proper model is an essential task in statistical learning. In general, for a given learning task, a set of parameters has to be chosen, each parameter corresponds to a different degree of "complexity''. In this situation, the model selection procedure becomes a search for the optimal "complexity'', allowing us to estimate a model that assures a good generalization. This model selection problem can be summarized as the calculation of one or more hyperparameters defining the model complexity in contrast to the parameters that allow to specify a model in the chosen complexity class.
The usual approach to determine these parameters is to use a "grid search''. Given a set of possible values, the generalization error for the best model is estimated for each of these values. This thesis is focused in an alternative approach consisting in calculating the complete set of possible solution for all hyperparameter values. This is what is called the regularization path. It can be shown that for the problems we are interested in, parametric quadratic programming (PQP), the corresponding regularization path is piecewise linear. Moreover, its calculation is no more complex than calculating a single PQP solution.
This thesis is organized in three chapters, the first one introduces the general setting of a learning problem under the Support Vector Machines' (SVM) framework together with the theory and algorithms that allow us to find a solution. The second part deals with supervised learning problems for classification and ranking using the SVM framework. It is shown that the regularization path of these problems is piecewise linear and alternative proofs to the one of Rosset (2004) are given via the subdifferential. These results lead to the corresponding algorithms to solve the mentioned supervised problems. The third part deals with semi-supervised learning problems followed by unsupervised learning problems. For the semi-supervised learning a sparsity constraint is introduced along with the corresponding regularization path algorithm. Graph-based dimensionality reduction methods are used for unsupervised learning problems. Our main contribution is a novel algorithm that allows to choose the number of nearest neighbors in an adaptive and appropriate way contrary to classical approaches based on a fix number of neighbors.
The usual approach to determine these parameters is to use a "grid search''. Given a set of possible values, the generalization error for the best model is estimated for each of these values. This thesis is focused in an alternative approach consisting in calculating the complete set of possible solution for all hyperparameter values. This is what is called the regularization path. It can be shown that for the problems we are interested in, parametric quadratic programming (PQP), the corresponding regularization path is piecewise linear. Moreover, its calculation is no more complex than calculating a single PQP solution.
This thesis is organized in three chapters, the first one introduces the general setting of a learning problem under the Support Vector Machines' (SVM) framework together with the theory and algorithms that allow us to find a solution. The second part deals with supervised learning problems for classification and ranking using the SVM framework. It is shown that the regularization path of these problems is piecewise linear and alternative proofs to the one of Rosset (2004) are given via the subdifferential. These results lead to the corresponding algorithms to solve the mentioned supervised problems. The third part deals with semi-supervised learning problems followed by unsupervised learning problems. For the semi-supervised learning a sparsity constraint is introduced along with the corresponding regularization path algorithm. Graph-based dimensionality reduction methods are used for unsupervised learning problems. Our main contribution is a novel algorithm that allows to choose the number of nearest neighbors in an adaptive and appropriate way contrary to classical approaches based on a fix number of neighbors.
La sélection d'un modèle approprié est l'une des tâches essentielles de l'apprentissage statistique. En général, pour une tâche d'apprentissage donnée, on considère plusieurs classes de modèles ordonnées selon un certain ordre de "complexité". Dans ce cadre, le processus de sélection de modèle revient à trouver la "complexité" optimale, permettant d'estimer un modèle assurant une bonne généralisation. Ce problème de sélection de modèle se résume à l'estimation d'un ou plusieurs hyperparamètres définissant la complexité du modèle, par opposition aux paramètres qui permettent de spécifier le modèle dans la classe de complexité choisie.
L'approche habituelle pour déterminer ces hyperparamètres consiste à utiliser une "grille". On se donne un ensemble de valeurs possibles et on estime, pour chacune de ces valeurs, l'erreur de généralisation du meilleur modèle. On s'intéresse, dans cette thèse, à une approche alternative consistant à calculer l'ensemble des solutions possibles pour toutes les valeurs des hyperparamètres. C'est ce qu'on appelle le chemin de régularisation. Il se trouve que pour les problèmes d'apprentissage qui nous intéressent, des programmes quadratiques paramétriques, on montre que le chemin de régularisation associé à certains hyperparamètres est linéaire par morceaux et que son calcul a une complexité numérique de l'ordre d'un multiple entier de la complexité de calcul d'un modèle avec un seul jeu hyper-paramètres.
La thèse est organisée en trois parties. La première donne le cadre général des problèmes d'apprentissage de type SVM (Séparateurs à Vaste Marge ou Support Vector Machines) ainsi que les outils théoriques et algorithmiques permettant d'appréhender ce problème. La deuxième partie traite du problème d'apprentissage supervisé pour la classification et l'ordonnancement dans le cadre des SVM. On montre que le chemin de régularisation de ces problèmes est linéaire par morceaux. Ce résultat nous permet de développer des algorithmes originaux de discrimination et d'ordonnancement. La troisième partie aborde successivement les problèmes d'apprentissage semi supervisé et non supervisé. Pour l'apprentissage semi supervisé, nous introduisons un critère de parcimonie et proposons l'algorithme de chemin de régularisation associé. En ce qui concerne l'apprentissage non supervisé nous utilisons une approche de type "réduction de dimension". Contrairement aux méthodes à base de graphes de similarité qui utilisent un nombre fixe de voisins, nous introduisons une nouvelle méthode permettant un choix adaptatif et approprié du nombre de voisins.
L'approche habituelle pour déterminer ces hyperparamètres consiste à utiliser une "grille". On se donne un ensemble de valeurs possibles et on estime, pour chacune de ces valeurs, l'erreur de généralisation du meilleur modèle. On s'intéresse, dans cette thèse, à une approche alternative consistant à calculer l'ensemble des solutions possibles pour toutes les valeurs des hyperparamètres. C'est ce qu'on appelle le chemin de régularisation. Il se trouve que pour les problèmes d'apprentissage qui nous intéressent, des programmes quadratiques paramétriques, on montre que le chemin de régularisation associé à certains hyperparamètres est linéaire par morceaux et que son calcul a une complexité numérique de l'ordre d'un multiple entier de la complexité de calcul d'un modèle avec un seul jeu hyper-paramètres.
La thèse est organisée en trois parties. La première donne le cadre général des problèmes d'apprentissage de type SVM (Séparateurs à Vaste Marge ou Support Vector Machines) ainsi que les outils théoriques et algorithmiques permettant d'appréhender ce problème. La deuxième partie traite du problème d'apprentissage supervisé pour la classification et l'ordonnancement dans le cadre des SVM. On montre que le chemin de régularisation de ces problèmes est linéaire par morceaux. Ce résultat nous permet de développer des algorithmes originaux de discrimination et d'ordonnancement. La troisième partie aborde successivement les problèmes d'apprentissage semi supervisé et non supervisé. Pour l'apprentissage semi supervisé, nous introduisons un critère de parcimonie et proposons l'algorithme de chemin de régularisation associé. En ce qui concerne l'apprentissage non supervisé nous utilisons une approche de type "réduction de dimension". Contrairement aux méthodes à base de graphes de similarité qui utilisent un nombre fixe de voisins, nous introduisons une nouvelle méthode permettant un choix adaptatif et approprié du nombre de voisins.
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