Accounting for variance and hyperparameter optimization in machine learning benchmarks

Abstract

La récente révolution de l'apprentissage automatique s'est fortement appuyée sur l'utilisation de bancs de test standardisés. Ces derniers sont au centre de la méthodologie scientifique en apprentissage automatique, fournissant des cibles et mesures indéniables des améliorations des algorithmes d'apprentissage. Ils ne garantissent cependant pas la validité des résultats ce qui implique que certaines conclusions scientifiques sur les avancées en intelligence artificielle peuvent s'avérer erronées. Nous abordons cette question dans cette thèse en soulevant d'abord la problématique (Chapitre 5), que nous étudions ensuite plus en profondeur pour apporter des solutions (Chapitre 6) et finalement developpons un nouvel outil afin d'amélioration la méthodologie des chercheurs (Chapitre 7). Dans le premier article, chapitre 5, nous démontrons la problématique de la reproductibilité pour des bancs de test stables et consensuels, impliquant que ces problèmes sont endémiques aussi à de grands ensembles d'applications en apprentissage automatique possiblement moins stable et moins consensuels. Dans cet article, nous mettons en évidence l'impact important de la stochasticité des bancs de test, et ce même pour les plus stables tels que la classification d'images. Nous soutenons d'après ces résultats que les solutions doivent tenir compte de cette stochasticité pour améliorer la reproductibilité des bancs de test. Dans le deuxième article, chapitre 6, nous étudions les différentes sources de variation typiques aux bancs de test en apprentissage automatique, mesurons l'effet de ces variations sur les méthodes de comparaison d'algorithmes et fournissons des recommandations sur la base de nos résultats. Une contribution importante de ce travail est la mesure de la fiabilité d'estimateurs peu coûteux à calculer mais biaisés servant à estimer la performance moyenne des algorithmes. Tel qu'expliqué dans l'article, un estimateur idéal implique plusieurs exécution d'optimisation d'hyperparamètres ce qui le rend trop coûteux à calculer. La plupart des chercheurs doivent donc recourir à l'alternative biaisée, mais nous ne savions pas jusqu'à présent la magnitude de la dégradation de cet estimateur. Sur la base de nos résultats, nous fournissons des recommandations pour la comparison d'algorithmes sur des bancs de test avec des budgets de calculs limités. Premièrement, les sources de variations devraient être randomisé autant que possible. Deuxièmement, la randomization devrait inclure le partitionnement aléatoire des données pour les ensembles d'entraînement, de validation et de test, qui s'avère être la plus importante des sources de variance. Troisièmement, des tests statistiques tel que la version du Mann-Withney U-test présenté dans notre article devrait être utilisé plutôt que des comparisons sur la simple base de moyennes afin de prendre en considération l'incertitude des mesures de performance. Dans le chapitre 7, nous présentons un cadriciel d'optimisation d'hyperparamètres développé avec principal objectif de favoriser les bonnes pratiques d'optimisation des hyperparamètres. Le cadriciel est conçu de façon à privilégier une interface simple et intuitive adaptée aux habitudes de travail des chercheurs en apprentissage automatique. Il inclut un nouveau système de versionnage d'expériences afin d'aider les chercheurs à organiser leurs itérations expérimentales et tirer profit des résultats antérieurs pour augmenter l'efficacité de l'optimisation des hyperparamètres. L'optimisation des hyperparamètres joue un rôle important dans les bancs de test, les hyperparamètres étant un facteur confondant significatif. Fournir aux chercheurs un instrument afin de bien contrôler ces facteurs confondants est complémentaire aux recommandations pour tenir compte des sources de variation dans le chapitre 6. Nos recommendations et l'outil pour l'optimisation d'hyperparametre offre une base solide pour une méthodologie robuste et fiable.The recent revolution in machine learning has been strongly based on the use of standardized benchmarks. Providing clear target metrics and undeniable measures of improvements of learning algorithms, they are at the center of the scientific methodology in machine learning. They do not ensure validity of results however, therefore some scientific conclusions based on flawed methodology may prove to be wrong. In this thesis we address this question by first raising the issue (Chapter 5), then we study it to find solutions and recommendations (Chapter 6) and build tools to help improve the methodology of researchers (Chapter 7). In first article, Chapter 5, we demonstrate the issue of reproducibility in stable and consensual benchmarks, implying that these issues are endemic to a large ensemble of machine learning applications that are possibly less stable or less consensual. We raise awareness of the important impact of stochasticity even in stable image classification tasks and contend that solutions for reproducible benchmarks should account for this stochasticity. In second article, Chapter 6, we study the different sources of variation that are typical in machine learning benchmarks, measure their effect on comparison methods to benchmark algorithms and provide recommendations based on our results. One important contribution of this work is that we measure the reliability of a cheaper but biased estimator for the average performance of algorithms. As explained in the article, an ideal estimator involving multiple rounds of hyperparameter optimization is too computationally expensive. Most researchers must resort to use the biased alternative, but it has been unknown until now how serious a degradation of the quality of estimation this leads to. Our investigations provides guidelines for benchmarks on practical budgets. First, as many sources of variations as possible should be randomized. Second, the partitioning of data in training, validation and test sets should be randomized as well, since this is the most important source of variation. Finally, statistical tests should be used instead of ad-hoc average comparisons so that the uncertainty of performance estimation can be accounted for when comparing machine learning algorithms. In Chapter 7, we present a framework for hyperparameter optimization that has been developed with the main goal of encouraging best practices for hyperparameter optimization. The framework is designed to favor a simple and intuitive interface adapted to the workflow of machine learning researchers. It includes a new version control system for experiments to help researchers organize their rounds of experimentations and leverage prior results for more efficient hyperparameter optimization. Hyperparameter optimization plays an important role in benchmarking, with the effect of hyperparameters being a serious confounding factor. Providing an instrument for researchers to properly control this confounding factor is complementary to our guidelines to account for sources of variation in Chapter 7. Our recommendations together with our tool for hyperparameter optimization provides a solid basis for a reliable methodology in machine learning benchmarks