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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.55.2018.tde-15102018-092202
Documento
Autor
Nome completo
Rafael Gomes Mantovani
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Carvalho, André Carlos Ponce de Leon Ferreira de (Presidente)
Prudêncio, Ricardo Bastos Cavalcante
Silva, Leandro Nunes de Castro
Soares, Carlos Manuel Milheiro de Oliveira Pinto
Vanschoren, Joaquin
Título em inglês
Use of meta-learning for hypeparameter tuning of classification problems
Palavras-chave em inglês
Classificaiton problems
Hyperparameter tuning
Meta-learning
Resumo em inglês
Machine learning solutions have been successfully used to solve many simple and complex problems. However, their development process still relies on human experts to perform tasks such as data preprocessing, feature engineering and model selection. As the complexity of these tasks increases, so does the demand for automated solutions, namely Automated Machine Learning (AutoML). Most algorithms employed in these systems have hyperparameters whose configuration may directly affect their predictive performance. Therefore, hyperparameter tuning is a recurring task in AutoML systems. This thesis investigated how to efficiently automate hyperparameter tuning by means of Meta-learning. To this end, large-scale experiments were performed tuning the hyperparameters of different classification algorithms, and an enhanced experimental methodology was adopted throughout the thesis to explore and learn the hyperparameter profiles for different classification algorithms. The results also showed that in many cases the default hyperparameter settings induced models that are on par with those obtained by tuning. Hence, a new Meta-learning recommender system was proposed to identify when it is better to use default values and when to tune classification algorithms for each new dataset. The proposed system is capable of generalizing several learning processes into a single modular framework, along with the possibility of assigning different algorithms. Furthermore, a descriptive analysis of model predictions is used to identify which data characteristics affect the necessity for tuning in each one of the algorithms investigated in the thesis. Experimental results also demonstrated that the proposed recommender system reduced the time spent on optimization processes, without reducing the predictive performance of the induced models. Depending on the target algorithm, the Meta-learning recommender system can statistically outperform the baselines. The significance of these results opens a number of new avenues for future work.
Título em português
Uso de meta-aprendizado para o ajuste de hiper-parâmetros em problemas de classificação
Palavras-chave em português
Ajuste de Hiper-parâmetros
Meta-aprendizado
Problemas de Classificação
Resumo em português
Soluções de aprendizado de máquina tem sido cada vez mais usadas com sucesso para resolver problemas dos mais simples aos complexos. Entretanto, o processo de desenvolvimento de tais soluções ainda é um processo que depende da ação de especialistas humanos em tarefas como: pré-processamento dos dados, engenharia de features e seleção de modelos. Consequentemente, quando a complexidade destas tarefas atinge um nível muito alto, há a necessidade de soluções automatizadas, denominadas por Aprendizado de Máquina automatizado (AutoML). A maioria dos algoritmos usados em tais sistemas possuem hiper-parâmetros cujos valores podem afetar diretamente o desempenho preditivo dos modelos gerados. Assim sendo, o ajuste de hiper-parâmetros é uma tarefa recorrente no desenvolvimento de sistems de AutoML. Nesta tese investigou-se a automatização do ajuste de hiper-parâmetros por meio de Meta-aprendizado. Seguindo essa linha, experimentos massivos foram realizados para ajustar os hiper-parâmetros de diferentes algoritmos de classificação. Além disso, uma metodologia experimental aprimorada e adotada ao lngo da tese perimtiu identificar diferentes perfis de ajuste para diferentes algoritmos de classificação. Entretanto, os resultados também mostraram que em muitos casos as configurações default destes algoritmos induziram modelos mais precisos do que os obtidos por meio de ajuste. Assim, foi proposto um novo sistema de recomendação baseado em Meta-learning para identificar quando é melhor realizar o ajuste de parâmetros para os algoritmos de classificação ou apenas usar os valores default. O sistema proposto é capaz de generalizar várias etapas do aprendizado em um único framework modular, juntamente com a possibilidade de avaliar diferentes algoritmos de aprendizado de máquina. As análises descritivas das predições obtidas pelo sistema indicaram quais características podem ser responsáveis por determinar quando o ajuste se faz necessário para cada um dos algoritmos investigados na tese. Os resultados também demonstraram que o sistema recomendador proposto reduziu o tempo gasto com a otimização mantendo o desempenho preditivo dos modelos gerados. Além disso, dependendo do algoritmo de classificação modelado, o sistema foi estatisticamente superior aos baselines. A significância desdes resultados abre um novo número de oportunidades para trabalhos futuros.
 
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Data de Publicação
2018-10-15
 
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