Decentralized and asynchronous algorithms for large scale machine learning and application to multimedia indexing

Avec l’avènement de « l'ère des données », les besoins des systèmes de traitement de l'information en ressources de calcul ont explosé, dépassant largement les évolutions technologiques des processeurs modernes. Dans le domaine de l'apprentissage statistique en particulier, les paradigmes de calcul massivement distribués représentent la seule alternative praticable.L'algorithmique distribuée emprunte la plupart de ses concepts à l'algorithmique classique, centralisée et séquentielle, dans laquelle le comportement du système est décrit comme une suite d'instructions exécutées l'une après l'autre. L'importance de la communication entre unités de calcul y est généralement négligée et reléguée aux détails d'implémentation. Or, lorsque le nombre d'unités impliquées augmente, le poids des opérations locales s'efface devant les effets émergents propres aux larges réseaux d'unités. Pour conserver les propriétés désirables de stabilité, de prédictibilité et de programmabilité offertes par l'algorithmique centralisée, les paradigmes de calcul distribué doivent dès lors intégrer cette dimension qui relève de la théorie des graphes.Cette thèse propose un cadre algorithmique pour l'apprentissage statistique large échelle, qui prévient deux défaut majeurs des méthodes classiques : la centralisation et la synchronisation. Nous présentons ainsi plusieurs algorithmes basés sur des protocoles Gossip décentralisés et asynchrones, applicables aux problèmes de catégorisation, estimation de densité, réduction de dimension, classification et optimisation convexe. Ces algorithmes produisent des solutions identiques à leurs homologues centralisés, tout en offrant une accélération appréciable sur de larges réseaux pour un coût de communication très réduit. Ces qualités pratiques sont démontrées mathématiquement par une analyse de convergence détaillée. Nous illustrons finalement la pertinence des méthodes proposées sur des tâches d'indexation multimédia et de classification d'images.With the advent of the "data era", the amount of computational resources required by information processing systems has exploded, largely exceeding the technological evolutions of modern processors. Specifically, contemporary machine learning applications necessarily resort to massively distributed computation.Distributed algorithmics borrows most of its concepts from classical centralized and sequential algorithmics, where the system's behavior is defined as a sequence of instructions, executed one after the other. The importance of communication between computation units is generally neglected and pushed back to implementation details. Yet, as the number of units grows, the impact of local operations vanishes behind the emergent effects related to the large network of units. To preserve the desirable properties of centralized algorithmics such as stability, predictability and programmability, distributed computational paradigms must encompass this graph-theoretical dimension.This thesis proposes an algorithmic framework for large scale machine learning, which prevent two major drawbacks of classical methods, namely emph{centralization} and emph{synchronization}. We therefore introduce several new algorithms based on decentralized and asynchronous Gossip protocols, for solving clustering, density estimation, dimension reduction, classification and general convex optimization problems, while offering an appreciable speed-up on large networks with a very low communication cost. These practical advantages are mathematically supported by a theoretical convergence analysis. We finally illustrate the relevance of proposed methods on multimedia indexing applications and real image classification tasks