Model selection for sparse high-dimensional learning

Sélection de modèles parcimonieux pour l’apprentissage statistique en grande dimension

Pierre-Alexandre Mattei (1, 2)

1 MAP5 - UMR 8145 - Mathématiques Appliquées Paris 5
2 ITU - IT University of Copenhagen

The numerical surge that characterizes the modern scientific era led to the rise of new kinds of data united in one common immoderation: the simultaneous acquisition of a large number of measurable quantities. Whether coming from DNA microarrays, mass spectrometers, or nuclear magnetic resonance, these data, usually called high-dimensional, are now ubiquitous in scientific and technological worlds. Processing these data calls for an important renewal of the traditional statistical toolset, unfit for such frameworks that involve a large number of variables. Indeed, when the number of variables exceeds the number of observations, most traditional statistical techniques become inefficient. First, we give a brief overview of the statistical issues that arise with high-dimensional data. Several popular solutions are presented, and we present some arguments in favor of the method utilized and advocated in this thesis: Bayesian model uncertainty. This chosen framework is the subject of a detailed review that insists on several recent developments. After these surveys come three original contributions to high-dimensional model selection. A new algorithm for high-dimensional sparse regression called SpinyReg is presented. It compares favorably to state-of-the-art methods on both real and synthetic data sets. A new data set for high-dimensional regression is also described: it involves predicting the number of visitors in the Orsay museum in Paris using bike-sharing data. We focus next on model selection for high-dimensional principal component analysis (PCA). Using a new theoretical result, we derive the first closed-form expression of the marginal likelihood of a PCA model. This allows us to propose two algorithms for model selection in PCA. A first one called globally sparse probabilistic PCA (GSPPCA) that allows to perform scalable variable selection, and a second one called normal-gamma probabilistic PCA (NGPPCA) that estimates the intrinsic dimensionality of a high-dimensional data set. Both methods are competitive with other popular approaches. In particular, using unlabelled DNA microarray data, GSPPCA is able to select genes that are more biologically relevant than several popular approaches.

Le déferlement numérique qui caractérise l’ère scientifique moderne a entrainé l’apparition de nouveaux types de données partageant une démesure commune : l’acquisition simultanée et rapide d’un très grand nombre de quantités observables. Qu’elles proviennent de puces ADN, de spectromètres de masse ou d’imagerie par résonance nucléaire, ces bases de données, qualifiées de données de grande dimension, sont désormais omniprésentes, tant dans le monde scientifique que technologique. Le traitement de ces données de grande dimension nécessite un renouvellement profond de l’arsenal statistique traditionnel, qui se trouve inadapté à ce nouveau cadre, notamment en raison du très grand nombre de variables impliquées. En effet, confrontée aux cas impliquant un plus grand nombre de variables que d’observations, une grande partie des techniques statistiques classiques est incapable de donner des résultats satisfaisants. Dans un premier temps, nous introduisons les problèmes statistiques inhérents aux modèles de données de grande dimension. Plusieurs solutions classiques sont détaillées et nous motivons le choix de l’approche empruntée au cours de cette thèse : le paradigme bayésien de sélection de modèles. Ce dernier fait ensuite l’objet d’une revue de littérature détaillée, en insistant sur plusieurs développements récents. Viennent ensuite trois chapitres de contributions nouvelles à la sélection de mo- dèles en grande dimension. En premier lieu, nous présentons un nouvel algorithme pour la régression linéaire bayésienne parcimonieuse en grande dimension, dont les performances sont très bonnes, tant sur données réelles que simulées. Une nouvelle base de données de régression linéaire est également introduite : il s’agit de prédire la fréquentation du musée d’Orsay à l’aide de données vélibs. Ensuite, nous nous penchons sur le problème de la sélection de modèles pour l’analyse en composantes principales (ACP). En nous basant sur un résultat théorique nouveau, nous effectuons les premiers calculs exacts de vraisemblance marginale pour ce modèle. Cela nous permet de proposer deux nouveaux algorithmes pour l’ACP parcimonieuse, un premier, appelé GSPPCA, permettant d’effectuer de la sélection de variables, et un second, appelé NGPPCA, permettant d’estimer la dimension intrinsèque de données de grande dimension. Les performances empiriques de ces deux techniques sont extrêmement compétitives. Dans le cadre de données d’expression ADN notamment, l’approche de sélection de variables proposée permet de déceler sans supervision des ensembles de gènes particulièrement pertinents.

Mots clés: Bayesian statistics; High-dimensional data; Model selection; Sparsity; Statistical machine learning

Mots clés: Apprentissage statistique; Grande dimension; Parcimonie; Sélection de modèles; Statistique bayésienne

Domaines: Statistiques [math.ST]; Machine Learning [stat.ML]; Méthodologie [stat.ME]; Applications [stat.AP]; Calcul [stat.CO]; Théorie [stat.TH]; Probabilités [math.PR]

Pierre-Alexandre Mattei. Model selection for sparse high-dimensional learning. Statistics [math.ST]. Université Paris 5, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01655924⟩