A Brief Introduction to Machine Learning for Engineers

This monograph aims at providing an introduction to key concepts, algorithms, and theoretical results in machine learning. The treatment concentrates on probabilistic models for supervised and unsupervised learning problems. It introduces fundamental concepts and algorithms by building on first principles, while also exposing the reader to more advanced topics with extensive pointers to the literature, within a unified notation and mathematical framework. The material is organized according to clearly defined categories, such as discriminative and generative models, frequentist and Bayesian approaches, exact and approximate inference, as well as directed and undirected models. This monograph is meant as an entry point for researchers with a background in probability and linear algebra.Comment: This is an expanded and improved version of the original posting. Feedback is welcom

Improved training of generative models

Cette thèse explore deux idées différentes: — Une méthode améliorée d’entraînement de réseaux de neurones récurrents. Communément, l’entraînement des réseaux de neurones récurrents se fait à l’aide d’une méthode connue sous le nom de ‘teacher forcing’. Cette méthode consiste à utiliser les valeurs de la séquence observée en tant qu’entrées du réseau pendant la phase d’entraînement, alors que l’on utilise la séquence des valeurs prédites par le modèle lors de la phase de génération. Nous présentons ici un algorithme appelé ‘professor forcing’ qui utilise l’adaptation de domaine adversaire pour encourager la dynamique du réseau récurrent à être la même lors de la phase d’entraînement et lors de la phase de génération. Ce travail a été accepté a la session de posters de la conférence NIPS 2016. — Un nouveau modèle pour l’entraînement de modèles génératifs. Un obstacle connu lors de l’entraînement de modèles graphiques non orientés avec variables latentes, tels que les machines de Boltzmann, est que la procédure d’entraînement par maximum de vraisemblance nécessite une chaîne de Markov pour échantillonner. Or le temps de mixage de la chaîne de Markov dans la boucle interne de l’entraînement peut être très long. Dans cette thèse, nous proposons d’abord l’idée qu’il suffit de découper localement la fonction d´énergie de sorte que son gradient pointe dans la bonne direction (c'est-à-dire vers la génération des données). Cela correspond à une nouvelle procédure d’apprentissage qui s’éloigne d’abord des données en suivant l’opérateur de transition du modèle, et qui ensuite entraîne cet opérateur à revenir en arrière à chaque étape, en revenant vers les données. Ce travail a été accepté en tant que poster à la conférence NIPS 2017. Dans le premier chapitre, je présente quelques notions élémentaires sur les modèles génératifs (en particulier les modèles graphiques orientés et non orientés). Je montre en quoi la méthode proposée dans le chapitre 3 est liée à ces modèles. Dans le deuxième chapitre, je décris notre méthode proposée (appelée ‘professor forcing’) pour améliorer l’entraînement des réseaux de neurones récurrents. Dans le troisième chapitre, je décris notre méthode proposée pour entraîner un modèle génératif en paramétrant directement un opérateur de transition.This thesis explores ideas along 2 different directions: — Improved Training of Recurrent Neural Networks - Recurrent Neural Networks are trained using teacher forcing which works by supplying observed sequence values as inputs during training, and using the network’s own one-step ahead predictions to do multi-step sampling. We introduce the Professor Forcing algorithm, which uses adversarial domain adaptation to encourage the dynamics of the recurrent network to be the same when training the network and when sampling from the network over multiple time steps. This work was accepted as a conference poster at NIPS 2016. — Training iterative generative models A recognized obstacle to training undirected graphical models with latent variables such as Boltzmann machines is that the maximum likelihood training procedure requires sampling from Monte-Carlo Markov chains which may not mix well, in the inner loop of training, for each example. In this thesis, we first propose the idea that it is sufficient to locally carve the energy function everywhere so that its gradient points in the right direction (i.e., towards generating the data). This corresponds to a new learning procedure that first walks away from data points by following the model transition operator and then trains that operator to walk backwards for each of these steps, back towards the training example. This work was accepted as a conference poster at NIPS 2017. Chapter One is dedicated to background knowledge about generative models. This covers directed and undirectored graphical models and how the proposed method in Chapter 3 are related to these. In the following chapter, I will describe our proposed method to improve training of recurrent neural networks using Professor Forcing Goyal et al. [2016]. The third chapter describes the Variational Walkback [Goyal et al., 2017a] algorithm. This is an algorithm for training an iterative generative model by directly learns a parameterized transition operator

Learning to Prune Instances of Steiner Tree Problem in Graphs

We consider the Steiner tree problem on graphs where we are given a set of nodes and the goal is to find a tree sub-graph of minimum weight that contains all nodes in the given set, potentially including additional nodes. This is a classical NP-hard combinatorial optimisation problem. In recent years, a machine learning framework called learning-to-prune has been successfully used for solving a diverse range of combinatorial optimisation problems. In this paper, we use this learning framework on the Steiner tree problem and show that even on this problem, the learning-to-prune framework results in computing near-optimal solutions at a fraction of the time required by commercial ILP solvers. Our results underscore the potential of the learning-to-prune framework in solving various combinatorial optimisation problems