Littérature scientifique sur le sujet « Apprentissage Automatique Explicable »

Les contributions présentées dans cette thèse sont doubles. Nous fournissons d'abord un aperçu général de l'apprentissage automatique interprétable, en établissant des liens avec différents domaines, en introduisant une taxonomie des approches d'explicabilité. Nous nous concentrons sur l'apprentissage des règles et proposons une nouvelle approche de classification, LIBRE, basée sur la synthèse de fonction booléenne monotone. LIBRE est une méthode ensembliste qui combine les règles candidates apprises par plusieurs apprenants faibles ascendants avec une simple union, afin d'obtenir un ensemble final de règles interprétables. LIBRE traite avec succès des données équilibrés et déséquilibrés, atteignant efficacement des performances supérieures et une meilleure interprétabilité par rapport aux plusieurs approches. L'interprétabilité des représentations des données constitue la deuxième grande contribution à ce travail. Nous limitons notre attention à l'apprentissage des représentations démêlées basées sur les autoencodeurs variationnels pour apprendre des représentations sémantiquement significatives. Des contributions récentes ont démontré que le démêlage est impossible dans des contextes purement non supervisés. Néanmoins, nous présentons une nouvelle méthode, IDVAE, avec des garanties théoriques sur le démêlage, dérivant de l'emploi d'une distribution a priori exponentiel optimal factorisé, conditionnellement dépendant de variables auxiliaires complétant les observations d'entrée. Nous proposons également une version semi-supervisée de notre méthode. Notre campagne expérimentale montre qu'IDVAE bat souvent ses concurrents selon plusieurs métriques de démêlage
The contributions presented in this work are two-fold. We first provide a general overview of explanations and interpretable machine learning, making connections with different fields, including sociology, psychology, and philosophy, introducing a taxonomy of popular explainability approaches and evaluation methods. We subsequently focus on rule learning, a specific family of transparent models, and propose a novel rule-based classification approach, based on monotone Boolean function synthesis: LIBRE. LIBRE is an ensemble method that combines the candidate rules learned by multiple bottom-up learners with a simple union, in order to obtain a final intepretable rule set. Our method overcomes most of the limitations of state-of-the-art competitors: it successfully deals with both balanced and imbalanced datasets, efficiently achieving superior performance and higher interpretability in real datasets. Interpretability of data representations constitutes the second broad contribution to this work. We restrict our attention to disentangled representation learning, and, in particular, VAE-based disentanglement methods to automatically learn representations consisting of semantically meaningful features. Recent contributions have demonstrated that disentanglement is impossible in purely unsupervised settings. Nevertheless, incorporating inductive biases on models and data may overcome such limitations. We present a new disentanglement method - IDVAE - with theoretical guarantees on disentanglement, deriving from the employment of an optimal exponential factorized prior, conditionally dependent on auxiliary variables complementing input observations. We additionally propose a semi-supervised version of our method. Our experimental campaign on well-established datasets in the literature shows that IDVAE often beats its competitors according to several disentanglement metrics

Les grands jeux de données de santé produits, qui représentent les caractéristiques de la population selon de multiples modalités, permettent de prédire et de comprendre les résultats individuels. À mesure que la collecte de données s'étend aux domaines scientifiques, tels que l'imagerie cérébrale, les variables sont liées par des dépendances complexes, éventuellement non linéaires, ainsi que par des degrés élevés de corrélation. Par conséquent, les modèles populaires tels que les techniques linéaires et à base d'arbres de décision ne sont plus efficaces dans ces contextes à haute dimension. De puissants algorithmes d'apprentissage automatique non linéaires, tels que les forêts aléatoires et les réseaux de neurones profonds, sont devenus des outils importants pour caractériser les différences interindividuelles et prédire les résultats biomédicaux, tels que l'âge du cerveau. Il est essentiel d'expliquer le processus de décision des algorithmes d'apprentissage automatique, à la fois pour améliorer les performances d'un modèle et pour faciliter la compréhension. Cet objectif peut être atteint en évaluant l'importance des variables. Traditionnellement, les scientifiques ont privilégié des modèles simples et transparents tels que la régression linéaire, où l'importance des variables peut être facilement mesurée par des coefficients. Cependant, avec l'utilisation de méthodes plus avancées, l'accès direct à la structure interne est devenu limité et/ou ininterprétable d'un point de vue humain. C'est pourquoi ces méthodes sont souvent appelées méthodes "boîte noire". Les approches standard basées sur l'importance par permutation (PI) évaluent l'importance d'une variable en mesurant la diminution du score de perte lorsque la variable d'intérêt est remplacée par sa version permutée. Bien que ces approches augmentent la transparence des modèles de boîte noire et offrent une validité statistique, elles peuvent produire des évaluations d'importance peu fiables lorsque les variables sont corrélées.L'objectif de ce travail est de surmonter les limites de l'importance de permutation standard en intégrant des schémas conditionnels. Par conséquent, nous développons deux cadres génériques, l'importance par permutation conditionnelle (CPI) et l'importance par permutation conditionnelle basée sur des blocs (BCPI), qui prennent efficacement en compte les corrélations entre les variables et surmontent les limites de l'importance par permutation. Nous présentons deux nouveaux algorithmes conçus pour traiter les situations où les variables sont corrélées, qu'elles soient groupées ou non. Nos résultats théoriques et empiriques montrent que CPI fournit des méthodes efficaces sur le plan du calcul et solides sur le plan théorique pour l'évaluation des variables individuelles. Le cadre de CPI garantit le contrôle des erreurs de type-I et produit une sélection concise des variables significatives dans les grands ensembles de données.BCPI présente une stratégie de gestion des variables individuelles et groupées. Elle intègre le regroupement statistique et utilise la connaissance préalable du regroupement pour adapter l'architecture du réseau DNN à l'aide de techniques d'empilement. Ce cadre est robuste et maintient le contrôle de l'erreur de type-I même dans des scénarios avec des groupes de variables fortement corrélées. Il donne de bons résultats sur divers points de référence. Les évaluations empiriques de nos méthodes sur plusieurs jeux de données biomédicales ont montré une bonne validité apparente. Nous avons également appliqué ces méthodes à des données cérébrales multimodales ainsi qu'à des données sociodémographiques, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes et avancées dans les domaines ciblés. Les cadres CPI et BCPI sont proposés en remplacement des méthodes conventionnelles basées sur la permutation. Ils améliorent l'interprétabilité de l'estimation de l'importance des variables pour les modèles d'apprentissage à haute performance
Modern large health datasets represent population characteristics in multiple modalities, including brain imaging and socio-demographic data. These large cohorts make it possible to predict and understand individual outcomes, leading to promising results in the epidemiological context of forecasting/predicting the occurrence of diseases, health outcomes, or other events of interest. As data collection expands into different scientific domains, such as brain imaging and genomic analysis, variables are related by complex, possibly non-linear dependencies, along with high degrees of correlation. As a result, popular models such as linear and tree-based techniques are no longer effective in such high-dimensional settings. Powerful non-linear machine learning algorithms, such as Random Forests (RFs) and Deep Neural Networks (DNNs), have become important tools for characterizing inter-individual differences and predicting biomedical outcomes, such as brain age. Explaining the decision process of machine learning algorithms is crucial both to improve the performance of a model and to aid human understanding. This can be achieved by assessing the importance of variables. Traditionally, scientists have favored simple, transparent models such as linear regression, where the importance of variables can be easily measured by coefficients. However, with the use of more advanced methods, direct access to the internal structure has become limited and/or uninterpretable from a human perspective. As a result, these methods are often referred to as "black box" methods. Standard approaches based on Permutation Importance (PI) assess the importance of a variable by measuring the decrease in the loss score when the variable of interest is replaced by its permuted version. While these approaches increase the transparency of black box models and provide statistical validity, they can produce unreliable importance assessments when variables are correlated.The goal of this work is to overcome the limitations of standard permutation importance by integrating conditional schemes. Therefore, we investigate two model-agnostic frameworks, Conditional Permutation Importance (CPI) and Block-Based Conditional Permutation Importance (BCPI), which effectively account for correlations between covariates and overcome the limitations of PI. We present two new algorithms designed to handle situations with correlated variables, whether grouped or ungrouped. Our theoretical and empirical results show that CPI provides computationally efficient and theoretically sound methods for evaluating individual variables. The CPI framework guarantees type-I error control and produces a concise selection of significant variables in large datasets.BCPI presents a strategy for managing both individual and grouped variables. It integrates statistical clustering and uses prior knowledge of grouping to adapt the DNN architecture using stacking techniques. This framework is robust and maintains type-I error control even in scenarios with highly correlated groups of variables. It performs well on various benchmarks. Empirical evaluations of our methods on several biomedical datasets showed good face validity. Our methods have also been applied to multimodal brain data in addition to socio-demographics, paving the way for new discoveries and advances in the targeted areas. The CPI and BCPI frameworks are proposed as replacements for conventional permutation-based methods. They provide improved interpretability and reliability in estimating variable importance for high-performance machine learning models

« Pourquoi est-ce qu’on me recommande toujours les même musiques ? » « Pourquoi notre système recommande-t’il cela aux utilisateurs ? » De nos jours, les plateformes de streaming sont le moyen le plus courant d'écouter de la musique enregistrée. Pourtant, les recommandations musicales — au cœur de ces plateformes — sont loin d’être une mince affaire. Il arrive parfois qu’utilisateurs et ingénieurs soient tout aussi perplexes du comportement d’un système de recommandation musicale (SRM). Les SRM ont été utilisés avec succès pour aider à explorer des catalogues comptant des dizaines de millions de titres musicaux. Construits et optimisés pour la précision, les SRM industriels sont souvent assez complexes. Ils peuvent en outre dépendre de nombreux modules interconnectés qui, notamment, analysent les signaux audio, récupèrent les métadonnées d’albums et artistes et les interactions des utilisateurs du service, et estiment des similarités basées sur du filtrage collaboratif. Cette complexité va en l’encontre de la capacité d'expliquer les recommandations et, plus généralement, ces systèmes. Pourtant, les explications sont essentielles pour fidéliser des utilisateurs sur le long termes avec un système qu'ils peuvent comprendre (et pardonner), et pour les propriétaires du système pour rationaliser les erreurs dudit système. L'interprétabilité peut également être nécessaire pour vérifier l'équité d'une décision ou peut être envisagées comme un moyen de rendre les recommandations plus contrôlables. Nous pouvons également récursivement demander : pourquoi une méthode d'explication explique-t-elle d'une certaine manière ? Cette explication est-elle pertinente ? Quelle pourrait être une meilleure explication ? Toutes ces questions sont liées à l'interprétabilité des SRM. Dans une première partie, nous explorons les multiples visages de l'interprétabilité dans diverses tâches de recommandation. En effet, puisqu'il n'y a pas une seule tâche de recommandation mais plusieurs (e.g., recommandation séquentielle, continuation de playlists, similarité artistes), ainsi que de nombreuses modalités de représentation de la musique (e.g., métadonnées, signaux audio, plongements), il y a autant de tâches possibles d’explications nécessitant des ajustements. Notre étude a été guidée par l’exploration des modalités sus-mentionnées : l'interprétation des signaux implicites utilisateurs, des caractéristiques, des signaux audio, et des inter-similarités. Notre thèse présente plusieurs nouvelles méthodes pour l'IA explicable (XAI) et plusieurs résultats théoriques, portant un nouvel éclairage sur notre compréhension des méthodes passées. Néanmoins, les méthodes d’explications peuvent à leur tour manquer d'interprétabilité. C'est pourquoi, une deuxième partie, nous avons jugé essentiel de prendre du recul par rapport aux discours habituels de l’IA et d'essayer de répondre à une question paradoxalement peu claire pour l’XAI : « Qu'est-ce que l'interprétabilité ? » En s'appuyant sur des concepts issus des sciences sociales, nous soulignons qu'il existe un décalage entre la manière dont les explications de l'XAI sont générées et la manière dont les humains expliquent réellement. Nous suggérons que la recherche actuelle a tendance à trop s'appuyer sur des intuitions et des réductions hâtive de réalités complexes en termes mathématiques commodes, conduisant à ériger des hypothèses en normes discutables (e.g., la parcimonie entraîne l'interprétabilité). Nous avons pensé cette partie comme un tutoriel destiné aux chercheurs en IA afin de renforcer leur connaissance des explications avec un vocabulaire précis et une perspective plus large. Nous résumons des conseils pratiques et mettons en évidence des branches moins populaires de l'XAI mieux alignées avec l’humain. Cela nous permet de formuler une perspective globale pour notre domaine de l'XAI, y compris ses prochaines étapes les plus critiques et prometteuses ainsi que ses lacunes à surmonter
‘‘Why do they keep recommending me this music track?’’ ‘‘Why did our system recommend these tracks to users?’’ Nowadays, streaming platforms are the most common way to listen to recorded music. Still, music recommendations — at the heart of these platforms — are not an easy feat. Sometimes, both users and engineers may be equally puzzled about the behaviour of a music recommendation system (MRS). MRS have been successfully employed to help explore catalogues that may be as large as tens of millions of music tracks. Built and optimised for accuracy, real-world MRS often end up being quite complex. They may further rely on a range of interconnected modules that, for instance, analyse audio signals, retrieve metadata about albums and artists, collect and aggregate user feedbacks on the music service, and compute item similarities with collaborative filtering. All this complexity hinders the ability to explain recommendations and, more broadly, explain the system. Yet, explanations are essential for users to foster a long-term engagement with a system that they can understand (and forgive), and for system owners to rationalise failures and improve said system. Interpretability may also be needed to check the fairness of a decision or can be framed as a means to control the recommendations better. Moreover, we could also recursively question: Why does an explanation method explain in a certain way? Is this explanation relevant? What could be a better explanation? All these questions relate to the interpretability of MRSs. In the first half of this thesis, we explore the many flavours that interpretability can have in various recommendation tasks. Indeed, since there is not just one recommendation task but many (e.g., sequential recommendation, playlist continuation, artist similarity), as well as many angles through which music may be represented and processed (e.g., metadata, audio signals, embeddings computed from listening patterns), there are as many settings that require specific adjustments to make explanations relevant. A topic like this one can never be exhaustively addressed. This study was guided along some of the mentioned modalities of musical objects: interpreting implicit user logs, item features, audio signals and similarity embeddings. Our contribution includes several novel methods for eXplainable Artificial Intelligence (XAI) and several theoretical results, shedding new light on our understanding of past methods. Nevertheless, similar to how recommendations may not be interpretable, explanations about them may themselves lack interpretability and justifications. Therefore, in the second half of this thesis, we found it essential to take a step back from the rationale of ML and try to address a (perhaps surprisingly) understudied question in XAI: ‘‘What is interpretability?’’ Introducing concepts from philosophy and social sciences, we stress that there is a misalignment in the way explanations from XAI are generated and unfold versus how humans actually explain. We highlight that current research tends to rely too much on intuitions or hasty reduction of complex realities into convenient mathematical terms, which leads to the canonisation of assumptions into questionable standards (e.g., sparsity entails interpretability). We have treated this part as a comprehensive tutorial addressed to ML researchers to better ground their knowledge of explanations with a precise vocabulary and a broader perspective. We provide practical advice and highlight less popular branches of XAI better aligned with human cognition. Of course, we also reflect back and recontextualise our methods proposed in the previous part. Overall, this enables us to formulate some perspective for our field of XAI as a whole, including its more critical and promising next steps as well as its shortcomings to overcome

L'objectif de cette thèse est de prédire le risque de maladies endocriniennes à l'aide de la science des données et de l'apprentissage automatique. L'idée est d'exploiter cette identification de risque pour aider les médecins à gérer les ressources financières et personnaliser le traitement des anomalies glucidiques chez les patients atteints de bêta-thalassémie majeure, ainsi que pour le dépistage du syndrome métabolique chez les adolescents. Une étude d'explicabilité des prédictions a été développée dans cette thèse pour évaluer la fiabilité de la prédiction des anomalies glucidiques et pour réduire les coûts financiers associés au dépistage du syndrome métabolique. Enfin, en réponse aux limites constatées de l'apprentissage automatique explicable, nous proposons une approche visant à améliorer et évaluer cette explicabilité, que nous testons sur différents jeux de données
This thesis aims to predict the risk of endocrine diseases using data science and machine learning. The aim is to leverage this risk identification to assist doctors in managing financial resources, personalizing the treatment of carbohydrate anomalies in patients with beta-thalassemia major, and screening for metabolic syndrome in adolescents. An explainability study of the predictions was developed in this thesis to evaluate the reliability of predicting glucose anomalies and to reduce the financial burden associated with screening for metabolic syndrome. Finally, in response to the observed limitations of explainable machine learning, we propose an approach to improve and evaluate this explainability, which we test on several datasets

Au cours des dernières années, le déficit de financement du commerce a atteint le chiffre alarmant de 1 500 milliards de dollars, soulignant une crise croissante dans le commerce mondial. Ce déficit est particulièrement préjudiciable aux petites et moyennes entreprises (PME), qui éprouvent souvent des difficultés à accéder au financement du commerce. Les systèmes traditionnels d'évaluation du crédit, qui constituent l'épine dorsale du finance-ment du commerce, ne sont pas toujours adaptés pour évaluer correctement la solvabilité des PME. Le terme "credit scoring" désigne les méthodes et techniques utilisées pour évaluer la solvabilité des individus ou des entreprises. Le score généré est ensuite utilisé par les institutions financières pour prendre des décisions sur l'approbation des prêts, les taux d'intérêt et les limites de crédit. L'évaluation du crédit présente plusieurs caractéristiques qui en font une tâche difficile. Tout d'abord, le manque d'explicabilité des modèles complexes d'apprentissage automatique entraîne souvent une moindre acceptation des évaluations de crédit, en particulier parmi les parties prenantes qui exigent un processus décisionnel transparent. Cette opacité peut constituer un obstacle à l'adoption généralisée de techniques d'évaluation avancées. Un autre défi important est la variabilité de la disponibilité des données entre les pays et les dossiers financiers souvent incomplets des PME, ce qui rend difficile le développement de modèles universellement applicables. Dans cette thèse, nous avons d'abord abordé la question de l'explicabilité en utilisant des techniques de pointe dans le domaine de l'intelligence artificielle explicable (XAI). Nous avons introduit une nouvelle stratégie consistant à comparer les explications générées par les modèles d'apprentissage automatique avec les critères utilisés par les experts en crédit. Cette analyse comparative a révélé une divergence entre le raisonnement du modèle et le jugement de l'expert, soulignant la nécessité d'incorporer les critères de l'expert dans la phase de formation du modèle. Les résultats suggèrent que l'alignement des explications générées par la machine sur l'expertise humaine pourrait être une étape cruciale dans l'amélioration de l'acceptation et de la fiabilité du modèle.Par la suite, nous nous sommes concentrés sur le défi que représentent les don-nées financières éparses ou incomplètes. Nous avons incorporé des évaluations de crédit textuelles dans le modèle d'évaluation du crédit en utilisant des techniques de pointe de traitement du langage naturel (NLP). Nos résultats ont démontré que les modèles formés à la fois avec des données financières et des évaluations de crédit textuelles étaient plus performants que ceux qui s'appuyaient uniquement sur des données financières. En outre, nous avons montré que notre approche pouvait effectivement générer des scores de crédit en utilisant uniquement des évaluations de risque textuelles, offrant ainsi une solution viable pour les scénarios dans lesquels les mesures financières traditionnelles ne sont pas disponibles ou insuffisantes
Over the past few years, the trade finance gap has surged to an alarming 1.5 trillion dollars, underscoring a growing crisis in global commerce. This gap is particularly detrimental tosmall and medium-sized enterprises (SMEs), which often find it difficult to access trade finance. Traditional credit scoring systems, which are the backbone of trade finance, are not always tailored to assess the credit worthiness of SMEs adequately. The term credit scoring stands for the methods and techniques used to evaluate the credit worthiness of individuals or business. The score generated is then used by financial institutions to make decisions on loan approvals, interest rates, and credit limits. Credit scoring present several characteristics that makes it a challenging task. First, the lack of explainability in complex machine learning models often results in less acceptance of credit assessments, particulary among stakeholders who require transparent decision-making process. This opacity can be an obstacle in the widespread adoption of advanced scoring techniques. Another significant challenge is the variability in data availability across countries and the often incomplete financial records of SME's which makes it difficult to develop universally applicable models.In this thesis, we initially tackled the issue of explainability by employing state-of-the-art techniques in Explainable Artificial Intelligence (XAI). We introduced a novel strategy that involved comparing the explanations generated by machine learning models with the criteria used by credit experts. This comparative analysis revealed a divergence between the model's reasoning and the expert's judgment, underscoring the necessity of incorporating expert criteria into the training phase of the model. The findings suggest that aligning machine-generated explanations with human expertise could be a pivotal step in enhancing the model's acceptance and trustworthiness. Subsequently, we shifted our focus to address the challenge of sparse or incomplete financial data. We incorporated textual credit assessments into the credit scoring model using cutting-edge Natural Language Processing (NLP) techniques. Our results demon-strated that models trained with both financial data and textual credit assessments out-performed those relying solely on financial data. Moreover, we showed that our approach could effectively generate credit scores using only textual risk assessments, thereby offer-ing a viable solution for scenarios where traditional financial metrics are unavailable or insufficient