Towards computationally efficient neural networks with adaptive and dynamic computations

Ces dernières années, l'intelligence artificielle a été considérablement avancée et l'apprentissage en profondeur, où des réseaux de neurones profonds sont utilisés pour tenter d'imiter vaguement le cerveau humain, y a contribué de manière significative. Les réseaux de neurones profonds sont désormais capables d'obtenir un grand succès sur la base d'une grande quantité de données et de ressources de calcul suffisantes. Malgré leur succès, leur capacité à s'adapter rapidement à de nouveaux concepts, tâches et environnements est assez limitée voire inexistante. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la façon dont les réseaux de neurones profonds peuvent s'adapter à des circonstances en constante évolution ou totalement nouvelles, de la même manière que l'intelligence humaine, et introduisons en outre des modules architecturaux adaptatifs et dynamiques ou des cadres de méta-apprentissage pour que cela se produise de manière efficace sur le plan informatique.  Cette thèse consiste en une série d'études proposant des méthodes pour utiliser des calculs adaptatifs et dynamiques pour aborder les problèmes d'adaptation qui sont étudiés sous différentes perspectives telles que les adaptations au niveau de la tâche, au niveau temporel et au niveau du contexte.  Dans le premier article, nous nous concentrons sur l'adaptation rapide des tâches basée sur un cadre de méta-apprentissage. Plus précisément, nous étudions l'incertitude du modèle induite par l'adaptation rapide à une nouvelle tâche avec quelques exemples. Ce problème est atténué en combinant un méta-apprentissage efficace basé sur des gradients avec une inférence variationnelle non paramétrique dans un cadre probabiliste fondé sur des principes. C'est une étape importante vers un méta-apprentissage robuste que nous développons une méthode d'apprentissage bayésienne à quelques exemples pour éviter le surapprentissage au niveau des tâches.  Dans le deuxième article, nous essayons d'améliorer les performances de la prédiction de la séquence (c'est-à-dire du futur) en introduisant une prédiction du futur sauteur basée sur la taille du pas adaptatif. C'est une capacité critique pour un agent intelligent d'explorer un environnement qui permet un apprentissage efficace avec une imagination sauteur futur. Nous rendons cela possible en introduisant le modèle hiérarchique d'espace d'état récurrent (HRSSM) qui peut découvrir la structure temporelle latente (par exemple, les sous-séquences) tout en modélisant ses transitions d'état stochastiques de manière hiérarchique.   Enfin, dans le dernier article, nous étudions un cadre qui peut capturer le contexte global dans les données d'image de manière adaptative et traiter davantage les données en fonction de ces informations. Nous implémentons ce cadre en extrayant des concepts visuels de haut niveau à travers des modules d'attention et en utilisant un raisonnement basé sur des graphes pour en saisir le contexte global. De plus, des transformations au niveau des caractéristiques sont utilisées pour propager le contexte global à tous les descripteurs locaux de manière adaptative. Over the past few years, artificial intelligence has been greatly advanced, and deep learning, where deep neural networks are used to attempt to loosely emulate the human brain, has significantly contributed to it. Deep neural networks are now able to achieve great success based on a large amount of data and sufficient computational resources. Despite their success, their ability to quickly adapt to new concepts, tasks, and environments is quite limited or even non-existent. In this thesis, we are interested in how deep neural networks can become adaptive to continually changing or totally new circumstances, similarly to human intelligence, and further introduce adaptive and dynamic architectural modules or meta-learning frameworks to make it happen in computationally efficient ways. This thesis consists of a series of studies proposing methods to utilize adaptive and dynamic computations to tackle adaptation problems that are investigated from different perspectives such as task-level, temporal-level, and context-level adaptations.     In the first article, we focus on task-level fast adaptation based on a meta-learning framework.   More specifically, we investigate the inherent model uncertainty that is induced from quickly adapting to a new task with a few examples. This problem is alleviated by combining the efficient gradient-based meta-learning with nonparametric variational inference in a principled probabilistic framework. It is an important step towards robust meta-learning that we develop a Bayesian few-shot learning method to prevent task-level overfitting.    In the second article, we attempt to improve the performance of sequence (i.e. future) prediction by introducing a jumpy future prediction that is based on the adaptive step size. It is a critical ability for an intelligent agent to explore an environment that enables efficient option-learning and jumpy future imagination. We make this possible by introducing the Hierarchical Recurrent State Space Model (HRSSM) that can discover the latent temporal structure (e.g. subsequences) while also modeling its stochastic state transitions hierarchically.    Finally, in the last article, we investigate a framework that can capture the global context in image data in an adaptive way and further process the data based on that information. We implement this framework by extracting high-level visual concepts through attention modules and using graph-based reasoning to capture the global context from them. In addition, feature-wise transformations are used to propagate the global context to all local descriptors in an adaptive way.

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