Science des données

Statistque III - Cours 11

Étude du passage des tests causaux à la modélisation prédictive, couvrant les fondements du machine learning, les arbres de décision, le surapprentissage et les forêts aléatoires.

Licence · 6 unités · 24 notions · Fiche partagée par Nathan

  1. Unité 1

    Changement de paradigme : causalité et prédiction

    Comprendre la transition entre l'explication causale traditionnelle et l'approche prédictive du machine learning, ainsi que les limites des modèles causaux classiques.

    • Distinction causalité et prédiction

      Identifier les objectifs distincts entre l'estimation d'effets causaux et la prédiction précise sur de nouvelles données.

    • Limites des DAGs sur la forme fonctionnelle

      Expliquer pourquoi les graphes acycliques dirigés ne spécifient pas la forme mathématique exacte des relations entre variables.

    • Hypothèses implicites des modèles classiques

      Reconnaître les hypothèses de linéarité, de distribution normale et de simplicité des interactions ajoutées dans les modèles causaux traditionnels.

    • Conséquences de la rigidité structurelle

      Analyser le compromis entre l'interprétabilité causale et le réalisme des modèles lorsqu'une forme fonctionnelle rigide est imposée.

  2. Unité 2

    Fondamentaux du Machine Learning

    Maîtriser la définition formelle du machine learning comme recherche d'une fonction prédictive apprise à partir des données sans hypothèse a priori sur sa forme.

    • Définition de la fonction prédictive

      Formuler mathématiquement le problème de prédiction comme la recherche d'une fonction ff telle que Y≈f(X)Y \approx f(X).

    • Différences avec les approches traditionnelles

      Comparer les hypothèses de forme fonctionnelle spécifiée versus apprise, et l'objectif d'explication versus prédiction.

    • Hypothèses sur les données

      Identifier les trois hypothèses fondamentales du ML concernant la représentativité, l'homogénéité des distributions et la quantité suffisante de données.

    • Généralisation et données nouvelles

      Expliquer pourquoi l'objectif principal du machine learning est la performance prédictive sur des données jamais vues plutôt que l'ajustement aux données d'entraînement.

  3. Unité 3

    Les trois paradigmes d'apprentissage automatique

    Distinguer les trois grandes formes d'apprentissage automatique selon la nature des données disponibles et l'objectif poursuivi.

    • Apprentissage supervisé

      Définir l'apprentissage supervisé comme la prédiction d'une variable cible connue à partir de données étiquetées, incluant classification et régression.

    • Apprentissage non supervisé

      Caractériser l'apprentissage non supervisé comme la découverte de structures cachées ou de motifs dans des données sans variable cible.

    • Apprentissage par renforcement

      Expliquer l'apprentissage par renforcement comme l'optimisation de décisions via essais-erreurs et récompenses dans un environnement.

  4. Unité 4

    Arbres de décision

    Comprendre la construction, l'interprétation et l'implémentation des arbres de décision comme modèles d'apprentissage supervisé sans hypothèse de forme fonctionnelle.

    • Indice de Gini et pureté

      Calculer et interpréter l'indice de Gini comme mesure de l'impureté d'un nœud, variant de 0 (pureté parfaite) à 0,5 (classes équilibrées).

    • Construction récursive des arbres

      Décrire l'algorithme de construction d'un arbre par divisions successives visant à maximiser la pureté des nœuds enfants.

    • Arbres de régression et de classification

      Différencier les arbres de régression (variable cible numérique) des arbres de classification (variable cible catégorielle).

    • Interprétation de l'importance des variables

      Évaluer l'importance d'un prédicteur selon sa position dans l'arbre, sa fréquence d'utilisation et sa significativité.

    • Implémentation en R avec ctree

      Utiliser les fonctions R ctree() et plot() du package party pour ajuster et visualiser des arbres de décision.

  5. Unité 5

    Surapprentissage et évaluation des modèles

    Analyser le phénomène de surapprentissage et maîtriser les méthodes d'évaluation de la capacité de généralisation des modèles prédictifs.

    • Définition du surapprentissage

      Caractériser le surapprentissage comme la mémorisation du bruit des données d'entraînement nuisant à la prédiction sur de nouvelles observations.

    • Méthodes d'évaluation de la généralisation

      Appliquer les techniques de séparation entraînement/test, de validation croisée et de matrice de confusion pour évaluer les performances prédictives.

    • Avantages et limites des arbres

      Évaluer le compromis entre la flexibilité sans hypothèse des arbres de décision et leur tendance au surapprentissage et à l'instabilité.

  6. Unité 6

    Forêts aléatoires et agrégation

    Maîtriser le principe des forêts aléatoires combinant le bagging et la sélection aléatoire de variables pour améliorer la robustesse prédictive.

    • Principe du bagging

      Expliquer le bootstrap aggregating comme méthode d'entraînement de multiples arbres sur des échantillons bootstrap différents.

    • Sélection aléatoire des variables

      Décrire le mécanisme de sélection d'un sous-ensemble aléatoire de prédicteurs à chaque division pour décorreler les arbres.

    • Agrégation des prédictions

      Déterminer la prédiction finale d'une forêt par vote majoritaire en classification ou moyenne des prédictions en régression.

    • Erreur out-of-bag (OOB)

      Utiliser l'erreur out-of-bag comme mesure interne de performance basée sur les observations non utilisées dans chaque arbre bootstrap.

    • Comparaison arbre unique et forêt

      Comparer la stabilité, la robustesse et la capacité de généralisation d'un arbre de décision unique versus une forêt aléatoire.

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Questions fréquentes

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