Minimização de funções decomponíveis em curvas em U definidas sobre cadeias de posets -- algoritmos e aplicações

• Autor(a) principal: Reis, Marcelo da Silva
• Data de Publicação: 2012
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45134/tde-05022013-123757/
• topic: branch-and-bound; branch-and-bound; busca ótima; feature selection; optimal search; seleção de características; U-curve; U-curve

O problema de seleção de características, no contexto de Reconhecimento de Padrões, consiste na escolha de um subconjunto X de um conjunto S de características, de tal forma que X seja \"ótimo\" dentro de algum critério. Supondo a escolha de uma função custo c apropriada, o problema de seleção de características é reduzido a um problema de busca que utiliza c para avaliar os subconjuntos de S e assim detectar um subconjunto de características ótimo. Todavia, o problema de seleção de características é NP-difícil. Na literatura existem diversos algoritmos e heurísticas propostos para abordar este problema; porém, quase nenhuma dessas técnicas explora o fato que existem funções custo cujos valores são estimados a partir de uma amostra e que descrevem uma \"curva em U\" nas cadeias do reticulado Booleano (P(S),<=), um fenômeno bem conhecido em Reconhecimento de Padrões: conforme aumenta-se o número de características consideradas, há uma queda no custo do subconjunto avaliado, até o ponto em que a limitação no número de amostras faz com que seguir adicionando características passe a aumentar o custo, devido ao aumento no erro de estimação. Em 2010, Ris e colegas propuseram um novo algoritmo para resolver esse caso particular do problema de seleção de características, que aproveita o fato de que o espaço de busca pode ser organizado como um reticulado Booleano, assim como a estrutura de curvas em U das cadeias do reticulado, para encontrar um subconjunto ótimo. Neste trabalho estudamos a estrutura do problema de minimização de funções custo cujas cadeias são decomponíveis em curvas em U (problema U-curve), provando que o mesmo é NP-difícil. Mostramos que o algoritmo de Ris e colegas possui um erro que o torna de fato sub-ótimo, e propusemos uma versão corrigida e melhorada do mesmo, o algoritmo U-Curve-Search (UCS). Apresentamos também duas variações do algoritmo UCS que controlam o espaço de busca de forma mais sistemática. Introduzimos dois novos algoritmos branch-and-bound para abordar o problema, chamados U-Curve-Branch-and-Bound (UBB) e Poset-Forest-Search (PFS). Para todos os algoritmos apresentados nesta tese, fornecemos análise de complexidade de tempo e, para alguns deles, também prova de corretude. Implementamos todos os algoritmos apresentados utilizando o arcabouço featsel, também desenvolvido neste trabalho; realizamos experimentos ótimos e sub-ótimos com instâncias de dados reais e simulados e analisamos os resultados obtidos. Por fim, propusemos um relaxamento do problema U-curve que modela alguns tipos de projeto de classificadores; também provamos que os algoritmos UCS, UBB e PFS resolvem esta versão generalizada do problema.