Ph.D Guillaume Bosc

 

Anytime Discovery of a Diverse Set of Patterns with Monte Carlo Tree Search

 

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Defended on September 11th 2017 at INSA Lyon

 

Committee

               

Dr. Sihem AMER-YAHIA, CNRS, Présidente
Dr. Moustafa BENSAFI, CNRS, Examinateur
Prof. Jean-François BOULICAUT, INSA Lyon, Directeur de thèse
Prof. Toon CALDERS, Univesiteit Antwerpe, Rapporteur
Prof. Tristan CAZENAVE, Université Paris-Dauphine, Rapporteur
Prof. Peter FLACH, University Bristol, Examinateur
Dr. Mehdi KAYTOUE, INSA Lyon, Co-directeur de thèse
Prof. Katharina MORIK, Technische Universität Dortmund

Résumé. La découverte de motifs qui caractérisent fortement une classe vis à vis d’une autre reste encore un problème difficile en fouille de données. La découverte de sous-groupes (Subgroup Discovery, SD) est une approche formelle de fouille de motifs qui permet la construction de classifieurs intelligibles mais surtout d’émettre des hypothèses sur les données. Cependant, cette approche fait encore face à deux problèmes majeurs : (i) comment définir des mesures de qualité appropriées pour caractériser l’intérêt d’un motif et (ii) comment sélectionner une méthode heuristique adaptée lorsqu’une énumération exhaustive de l’espace de recherche n’est pas réalisable. Le premier problème a été résolu par la fouille de modèles exceptionnels (Exceptional Model Mining, EMM) qui permet l’extraction de motifs couvrant des objets de la base de données pour lesquels le modèle induit sur les attributs de classe est significativement différent du modèle induit par l’ensemble des objets du jeu de données. Le second problème a été étudié en SD et EMM principalement avec la mise en place de méthodes heuristiques de type recherche en faisceau (beam-search) ou avec des algorithmes génétiques qui permettent la découverte de motifs non redondants, diversifiés et de bonne qualité. Dans cette thèse, nous soutenons que la nature gloutonne des méthodes d’énumération précédentes génère cependant des ensembles de motifs manquant de diversité. Nous définissons formellement la fouille de données comme un jeu que nous résolvons par l’utilisation de la recherche arborescente de Monte Carlo (Monte Carlo Tree Search, MCTS), une technique récente principalement utilisée pour la résolution de jeux et de problèmes de planning en intelligence artificielle. Contrairement aux méthodes traditionnelles d’échantillonnage, MCTS donne la possibilité d’obtenir une solution à tout instant sans qu’aucune hypothèse ne soit faite que ce soit sur la mesure de qualité ou sur les données. Cette méthode d’énumération converge vers une approche exhaustive si les budgets temps et mémoire disponibles sont suffisants. Le compromis entre l’exploration et l’exploitation que propose cette approche permet une augmentation significative de la diversité dans l’ensemble des motifs calculés. Nous montrons que la recherche arborescente de Monte Carlo appliquée à la fouille de motifs permet de trouver rapidement un ensemble de motifs diversifiés et de bonne qualité à l’aide d’expérimentations sur des jeux de données de référence et sur un jeu de données réel traitant de l’olfaction. Nous proposons et validons également une nouvelle mesure de qualité spécialement conçue pour des jeux de donnée multi labels présentant une grande variance de fréquences des labels. 


Abstract. The discovery of patterns that strongly distinguish one class label from another is still a challenging data-mining task. Subgroup Discovery (SD) is a formal pattern mining framework that enables the construction of intelligible classifiers, and, most importantly, to elicit interesting hypotheses from the data. However, SD still faces two major issues: (i) how to define appropriate quality measures to characterize the interestingness of a pattern; (ii) how to select an accurate heuristic search technique when exhaustive enumeration of the pattern space is unfeasible. The first issue has been tackled by Exceptional Model Mining (EMM) for discovering patterns that cover tuples that locally induce a model substantially different from the model of the whole dataset. The second issue has been studied in SD and EMM mainly with the use of beamsearch strategies and genetic algorithms for discovering a pattern set that is non-redundant, diverse and of high quality. In this thesis, we argue that the greedy nature of most such previous approaches produces pattern sets that lack diversity. Consequently, we formally define pattern mining as a game and solve it with Monte Carlo Tree Search (MCTS), a recent technique mainly used for games and planning problems in artificial intelligence. Contrary to traditional sampling methods, MCTS leads to an any-time pattern mining approach without assumptions on either the quality measure or the data. It converges to an exhaustive search if given enough time and memory. The exploration/exploitation trade-off allows the diversity of the result set to be improved considerably compared to existing heuristics. We show that MCTS quickly finds a diverse pattern set of high quality in our application in neurosciences. We also propose and validate a new quality measure especially tuned for imbalanced multi-label data.

 

Publications liées à la thèse


Journal papers

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