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
- 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.
- 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 telle que .
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.
- 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.
- 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()etplot()du packagepartypour ajuster et visualiser des arbres de décision.
- 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.
- 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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