Agrupamento de dados baseado em comportamento coletivo e auto-organização

• Main Author: Roberto Alves Gueleri
• Other Authors: Zhao Liang
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2013
• Subjects: Agrupamento de dados; Análise de dados; Aprendizado de máquina; Aprendizado semissuperisionado; Clustering; Comportamento coletivo; Emergência; Flocking; Movimento coletivo; Sistemas auto-organizáveis; Sistemas complexos; Collective behavior; Collective motion; Complex systems; Data analysis; Emergence; Machine learning; Self-organizing systems; Semi-supervised learning; Swarms
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-29072013-164559/

O aprendizado de máquina consiste de conceitos e técnicas que permitem aos computadores melhorar seu desempenho com a experiência, ou, em outras palavras, aprender com dados. Um dos principais tópicos do aprendizado de máquina é o agrupamento de dados que, como o nome sugere, procura agrupar os dados de acordo com sua similaridade. Apesar de sua definição relativamente simples, o agrupamento é uma tarefa computacionalmente complexa, tornando proibitivo o emprego de algoritmos exaustivos, na busca pela solução ótima do problema. A importância do agrupamento de dados, aliada aos seus desafios, faz desse campo um ambiente de intensa pesquisa. Também a classe de fenômenos naturais conhecida como comportamento coletivo tem despertado muito interesse. Isso decorre da observação de um estado organizado e global que surge espontaneamente das interações locais presentes em grandes grupos de indivíduos, caracterizando, pois, o que se chama auto-organização ou emergência, para ser mais preciso. Os desafios intrínsecos e a relevância do tema vêm motivando sua pesquisa em diversos ramos da ciência e da engenharia. Ao mesmo tempo, técnicas baseadas em comportamento coletivo vêm sendo empregadas em tarefas de aprendizado de máquina, mostrando-se promissoras e ganhando bastante atenção. No presente trabalho, objetivou-se o desenvolvimento de técnicas de agrupamento baseadas em comportamento coletivo. Faz-se cada item do conjunto de dados corresponder a um indivíduo, definem-se as leis de interação local, e então os indivíduos são colocados a interagir entre si, de modo que os padrões que surgem reflitam os padrões originalmente presentes no conjunto de dados. Abordagens baseadas em dinâmica de troca de energia foram propostas. Os dados permanecem fixos em seu espaço de atributos, mas carregam certa informação a energia , a qual é progressivamente trocada entre eles. Os grupos são estabelecidos entre dados que tomam estados de energia semelhantes. Este trabalho abordou também o aprendizado semissupervisionado, cuja tarefa é rotular dados em bases parcialmente rotuladas. Nesse caso, foi adotada uma abordagem baseada na movimentação dos próprios dados pelo espaço de atributos. Procurou-se, durante todo este trabalho, não apenas propor novas técnicas de aprendizado, mas principalmente, por meio de muitas simulações e ilustrações, mostrar como elas se comportam em diferentes cenários, num esforço em mostrar onde reside a vantagem de se utilizar a dinâmica coletiva na concepção dessas técnicas === Machine learning consists of concepts and techniques that enable computers to improve their performance with experience, i.e., enable computers to learn from data. Data clustering (or just clustering) is one of its main topics, which aims to group data according to their similarities. Regardless of its simple definition, clustering is a complex computational task. Its relevance and challenges make this field an environment of intense research. The class of natural phenomena known as collective behavior has also attracted much interest. This is due to the observation that global patterns may spontaneously arise from local interactions among large groups of individuals, what is know as self-organization (or emergence). The challenges and relevance of the subject are encouraging its research in many branches of science and engineering. At the same time, techniques based on collective behavior are being employed in machine learning tasks, showing to be promising. The objective of the present work was to develop clustering techniques based on collective behavior. Each dataset item corresponds to an individual. Once the local interactions are defined, the individuals begin to interact with each other. It is expected that the patterns arising from these interactions match the patterns originally present in the dataset. Approaches based on dynamics of energy exchange have been proposed. The data are kept fixed in their feature space, but they carry some sort of information (the energy), which is progressively exchanged among them. The groups are established among data that take similar energy states. This work has also addressed the semi-supervised learning task, which aims to label data in partially labeled datasets. In this case, it has been proposed an approach based on the motion of the data themselves around the feature space. More than just providing new machine learning techniques, this research has tried to show how the techniques behave in different scenarios, in an effort to show where lies the advantage of using collective dynamics in the design of such techniques