Modeling Uncertainty for Reliable Probabilistic Modeling in Deep Learning and Beyond

Abstract

[ES] Esta tesis se enmarca en la intersección entre las técnicas modernas de Machine Learning, como las Redes Neuronales Profundas, y el modelado probabilístico confiable. En muchas aplicaciones, no solo nos importa la predicción hecha por un modelo (por ejemplo esta imagen de pulmón presenta cáncer) sino también la confianza que tiene el modelo para hacer esta predicción (por ejemplo esta imagen de pulmón presenta cáncer con 67% probabilidad). En tales aplicaciones, el modelo ayuda al tomador de decisiones (en este caso un médico) a tomar la decisión final. Como consecuencia, es necesario que las probabilidades proporcionadas por un modelo reflejen las proporciones reales presentes en el conjunto al que se ha asignado dichas probabilidades; de lo contrario, el modelo es inútil en la práctica. Cuando esto sucede, decimos que un modelo está perfectamente calibrado.

En esta tesis se exploran tres vias para proveer modelos más calibrados. Primero se muestra como calibrar modelos de manera implicita, que son descalibrados por técnicas de aumentación de datos. Se introduce una función de coste que resuelve esta descalibración tomando como partida las ideas derivadas de la toma de decisiones con la regla de Bayes. Segundo, se muestra como calibrar modelos utilizando una etapa de post calibración implementada con una red neuronal Bayesiana. Finalmente, y en base a las limitaciones estudiadas en la red neuronal Bayesiana, que hipotetizamos que se basan en un prior mispecificado, se introduce un nuevo proceso estocástico que sirve como distribución a priori en un problema de inferencia Bayesiana.

[CA] Aquesta tesi s'emmarca en la intersecció entre les tècniques modernes de Machine Learning, com ara les Xarxes Neuronals Profundes, i el modelatge probabilístic fiable. En moltes aplicacions, no només ens importa la predicció feta per un model (per ejemplem aquesta imatge de pulmó presenta càncer) sinó també la confiança que té el model per fer aquesta predicció (per exemple aquesta imatge de pulmó presenta càncer amb 67% probabilitat). En aquestes aplicacions, el model ajuda el prenedor de decisions (en aquest cas un metge) a prendre la decisió final. Com a conseqüència, cal que les probabilitats proporcionades per un model reflecteixin les proporcions reals presents en el conjunt a què s'han assignat aquestes probabilitats; altrament, el model és inútil a la pràctica. Quan això passa, diem que un model està perfectament calibrat.

En aquesta tesi s'exploren tres vies per proveir models més calibrats. Primer es mostra com calibrar models de manera implícita, que són descalibrats per tècniques d'augmentació de dades. S'introdueix una funció de cost que resol aquesta descalibració prenent com a partida les idees derivades de la presa de decisions amb la regla de Bayes. Segon, es mostra com calibrar models utilitzant una etapa de post calibratge implementada amb una xarxa neuronal Bayesiana. Finalment, i segons les limitacions estudiades a la xarxa neuronal Bayesiana, que es basen en un prior mispecificat, s'introdueix un nou procés estocàstic que serveix com a distribució a priori en un problema d'inferència Bayesiana.

[EN] This thesis is framed at the intersection between modern Machine Learning techniques, such as Deep Neural Networks, and reliable probabilistic modeling. In many machine learning applications, we do not only care about the prediction made by a model (e.g. this lung image presents cancer) but also in how confident is the model in making this prediction (e.g. this lung image presents cancer with 67% probability). In such applications, the model assists the decision-maker (in this case a doctor) towards making the final decision. As a consequence, one needs that the probabilities provided by a model reflects the true underlying set of outcomes, otherwise the model is useless in practice. When this happens, we say that a model is perfectly calibrated.

In this thesis three ways are explored to provide more calibrated models. First, it is shown how to calibrate models implicitly, which are decalibrated by data augmentation techniques. A cost function is introduced that solves this decalibration taking as a starting point the ideas derived from decision making with Bayes' rule. Second, it shows how to calibrate models using a post-calibration stage implemented with a Bayesian neural network. Finally, and based on the limitations studied in the Bayesian neural network, which we hypothesize that came from a mispecified prior, a new stochastic process is introduced that serves as a priori distribution in a Bayesian inference problem.