Sequence-to-sequence learning for machine translation and automatic differentiation for machine learning software tools

Cette thèse regroupe des articles d'apprentissage automatique et s'articule autour de deux thématiques complémentaires.  D'une part, les trois premiers articles examinent l'application des réseaux de neurones artificiels aux problèmes du traitement automatique du langage naturel (TALN). Le premier article introduit une structure codificatrice-décodificatrice avec des réseaux de neurones récurrents pour traduire des segments de phrases de longueur variable. Le deuxième article analyse la performance de ces modèles de `traduction neuronale automatique' de manière qualitative et quantitative, tout en soulignant les difficultés posées par les phrases longues et les mots rares. Le troisième article s'adresse au traitement des mots rares et hors du vocabulaire commun en combinant des algorithmes de compression par dictionnaire et des réseaux de neurones récurrents.   D'autre part, la deuxième partie de cette thèse fait abstraction de modèles particuliers de réseaux de neurones afin d'aborder l'infrastructure logicielle nécessaire à leur définition et entraînement. Les infrastructures modernes d'apprentissage profond doivent avoir la capacité d'exécuter efficacement des programmes d'algèbre linéaire et par tableaux, tout en étant capable de différentiation automatique (DA) pour calculer des dérivées multiples. Le premier article aborde les défis généraux posés par la conciliation de ces deux objectifs et propose la solution d'une représentation intermédiaire fondée sur les graphes. Le deuxième article attaque le même problème d'une manière différente: en implémentant un code source par bande dans un langage de programmation dynamique par tableau (Python et NumPy). This thesis consists of a series of articles that contribute to the field of machine learning. In particular, it covers two distinct and loosely related fields.  The first three articles consider the use of neural network models for problems in natural language processing (NLP). The first article introduces the use of an encoder-decoder structure involving recurrent neural networks (RNNs) to translate from and to variable length phrases and sentences. The second article contains a quantitative and qualitative analysis of the performance of these `neural machine translation' models, laying bare the difficulties posed by long sentences and rare words. The third article deals with handling rare and out-of-vocabulary words in neural network models by using dictionary coder compression algorithms and multi-scale RNN models.  The second half of this thesis does not deal with specific neural network models, but with the software tools and frameworks that can be used to define and train them. Modern deep learning frameworks need to be able to efficiently execute programs involving linear algebra and array programming, while also being able to employ automatic differentiation (AD) in order to calculate a variety of derivatives. The first article provides an overview of the difficulties posed in reconciling these two objectives, and introduces a graph-based intermediate representation that aims to tackle these difficulties. The second article considers a different approach to the same problem, implementing a tape-based source-code transformation approach to AD on a dynamically typed array programming language (Python and NumPy).

Keyphrases: Aprentissage automatique, Différentiation automatique, Traduction automatique, Apprentissage profond, Traitement automatique du langage naturel, Réseaux de neurones, Deep learning, Machine learning, Machine translation, Automatic differentiation, Neural networks, Natural language processing