Máquinas de Vetores de Suporte: Problemas Desbalanceados

Continuando nossa exploração detalhada das Máquinas de Vetores de Suporte, abordaremos agora o desafio crucial dos problemas desbalanceados. Primordialmente, datasets com distribuição desigual de classes representam um cenário comum em aplicações do mundo real, onde estratégias específicas são necessárias para garantir performance adequada.

O Desafio do Desbalanceamento

Analogamente aos problemas balanceados que discutimos anteriormente, os datasets desbalanceados apresentam desafios únicos para classificadores SVM. Conforme observamos na implementação padrão, as SVM buscam maximizar a margem global, o que pode levar a viés em favor da classe majoritária quando as distribuições são assimétricas.

Impacto no Hiperplano de Decisão

Em problemas desbalanceados, o hiperplano ótimo tende a ser deslocado em direção à classe minoritária:

\(w^T x + b = 0\)

Onde o viés b é influenciado pela distribuição desbalanceada das classes.

Estratégias para Lidar com Desbalanceamento

Parâmetro class_weight

O scikit-learn oferece o parâmetro class_weight que permite atribuir pesos diferentes às classes:

class_weight='balanced': Pesos inversamente proporcionais às frequências das classes
class_weight={0: w0, 1: w1}: Pesos customizados para cada classe

Cálculo dos Pesos Automáticos

Quando class_weight='balanced', os pesos são calculados como:

\(w_j = \frac{n}{k \cdot n_j}\)

Onde n é o número total de amostras, k o número de classes, e n_j o número de amostras na classe j.

Modificação da Função Objetivo

Com pesos de classe, a função objetivo do SVM torna-se:

\(\min_{w, b, \xi} \frac{1}{2} \|w\|^2 + C \sum_{i=1}^n w_{y_i} \xi_i\)

Sujeito a:

\(y_i(w^T x_i + b) \geq 1 – \xi_i \quad \text{e} \quad \xi_i \geq 0\)

Onde w_{y_i} é o peso associado à classe da amostra i.

Técnicas Complementares

Ampliação de Dados (Oversampling)

SMOTE: Synthetic Minority Over-sampling Technique
ADASYN: Adaptive Synthetic Sampling
Random Oversampling: Duplicação de amostras da classe minoritária

Redução de Dados (Undersampling)

Random Undersampling: Remoção aleatória de amostras da classe majoritária
Cluster Centroids: Baseado em agrupamento
Tomek Links: Remoção de pares de amostras próximas de classes diferentes

Métricas de Avaliação para Desbalanceamento

Similarmente às métricas padrão que exploramos anteriormente, problemas desbalanceados requerem avaliação mais sofisticada:

Precision: TP / (TP + FP)
Recall: TP / (TP + FN)
F1-Score: Média harmônica entre precision e recall
ROC-AUC: Área sob a curva ROC
Precision-Recall AUC: Área sob a curva Precision-Recall

Implementação no scikit-learn

Parâmetros Relevantes

class_weight: Controle de pesos por classe
C: Parâmetro de regularização (pode ser ajustado)
kernel: Escolha do kernel (RBF geralmente mais robusto)

Integração com Técnicas de Amostragem

O scikit-learn oferece classes para amostragem através do módulo imbalanced-learn (não nativo):

RandomOverSampler
SMOTE
RandomUnderSampler

Conexões com Tópicos Anteriores

Analogamente aos conceitos que exploramos em classificação balanceada, o tratamento de desbalanceamento:

Mantém os princípios fundamentais de maximização de margem
Estende a formulação matemática através de pesos
Preserva a interpretação dos vetores de suporte
Requer avaliação mais cuidadosa similar a problemas complexos

Exemplo Prático em Python

Para ilustrar as estratégias de tratamento de problemas desbalanceados com SVM, implementemos um estudo comparativo detalhado:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.model_selection import train_test_split, cross_val_score, StratifiedKFold
from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report, confusion_matrix
from sklearn.metrics import precision_score, recall_score, f1_score, roc_auc_score
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
 
'''
Estudo comparativo de estratégias para problemas desbalanceados com SVM
'''
 
print("=== PROBLEMAS DESBALANCEADOS COM SVM ===")
 
# Criando datasets com diferentes níveis de desbalanceamento
print("\n1. CONFIGURAÇÃO DOS CENÁRIOS DESBALANCEADOS")
 
# Cenário 1: Desbalanceamento moderado (80-20)
X_moderado, y_moderado = make_classification(
    n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,
    n_clusters_per_class=1, weights=[0.8, 0.2], random_state=42
)
 
# Cenário 2: Desbalanceamento severo (90-10)
X_severo, y_severo = make_classification(
    n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,
    n_clusters_per_class=1, weights=[0.9, 0.1], random_state=42
)
 
# Cenário 3: Desbalanceamento extremo (95-5)
X_extremo, y_extremo = make_classification(
    n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,
    n_clusters_per_class=1, weights=[0.95, 0.05], random_state=42
)
 
cenarios = [
    ('Moderado (80-20)', X_moderado, y_moderado),
    ('Severo (90-10)', X_severo, y_severo),
    ('Extremo (95-5)', X_extremo, y_extremo)
]
 
'''
Configuração das estratégias de tratamento
'''
print("\n2. CONFIGURAÇÃO DAS ESTRATÉGIAS")
 
# Diferentes abordagens para comparação
estrategias = {
    'SVC Padrão': SVC(kernel='rbf', random_state=42),
    'SVC Class Weight Balanced': SVC(kernel='rbf', class_weight='balanced', random_state=42),
    'SVC Class Weight Custom': SVC(kernel='rbf', class_weight={0: 1, 1: 5}, random_state=42),
    'SVC Ajustado C': SVC(kernel='rbf', C=0.1, class_weight='balanced', random_state=42)
}
 
'''
Avaliação sistemática por cenário
'''
print("\n3. AVALIAÇÃO DAS ESTRATÉGIAS POR CENÁRIO")
 
resultados_completos = {}
 
for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\n--- {cenario_nome} ---")
    
    # Estatísticas do dataset
    unique, counts = np.unique(y, return_counts=True)
    n_total = len(y)
    ratios = {cls: count/n_total for cls, count in zip(unique, counts)}
    
    print(f"Distribuição: Classe 0: {counts[0]} ({ratios[0]:.1%}), "
          f"Classe 1: {counts[1]} ({ratios[1]:.1%})")
    
    # Padronização
    scaler = StandardScaler()
    X_scaled = scaler.fit_transform(X)
    
    # Divisão treino-teste estratificada
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
        X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y
    )
    
    cenario_resultados = {}
    
    for estrategia_nome, estrategia_model in estrategias.items():
        print(f"  Avaliando {estrategia_nome}...")
        
        try:
            # Treinamento
            estrategia_model.fit(X_train, y_train)
            
            # Previsões
            y_pred = estrategia_model.predict(X_test)
            
            # Métricas básicas
            accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
            precision = precision_score(y_test, y_pred)
            recall = recall_score(y_test, y_pred)
            f1 = f1_score(y_test, y_pred)
            
            # Probabilidades para AUC (se disponível)
            if hasattr(estrategia_model, 'predict_proba'):
                y_proba = estrategia_model.predict_proba(X_test)[:, 1]
                roc_auc = roc_auc_score(y_test, y_proba)
            else:
                # Usar decision function como proxy
                decision_scores = estrategia_model.decision_function(X_test)
                roc_auc = roc_auc_score(y_test, decision_scores)
            
            # Coletar informações
            model_info = {
                'model': estrategia_model,
                'accuracy': accuracy,
                'precision': precision,
                'recall': recall,
                'f1_score': f1,
                'roc_auc': roc_auc,
                'predictions': y_pred
            }
            
            # Vetores de suporte por classe
            if hasattr(estrategia_model, 'support_vectors_'):
                support_indices = estrategia_model.support_
                support_by_class = []
                for cls in unique:
                    class_support = np.sum(y_train[support_indices] == cls)
                    support_by_class.append(class_support)
                model_info['support_by_class'] = support_by_class
            
            cenario_resultados[estrategia_nome] = model_info
            
            print(f"    Accuracy: {accuracy:.3f}, Precision: {precision:.3f}, "
                  f"Recall: {recall:.3f}, F1: {f1:.3f}, AUC: {roc_auc:.3f}")
            
        except Exception as e:
            print(f"    ERRO: {e}")
            cenario_resultados[estrategia_nome] = {'error': str(e)}
    
    resultados_completos[cenario_nome] = cenario_resultados
 
'''
Visualização das fronteiras de decisão
'''
print("\n4. VISUALIZAÇÃO DAS FRONTEIRAS DE DECISÃO")
 
for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\nVisualizando {cenario_nome}...")
    
    scaler = StandardScaler()
    X_scaled = scaler.fit_transform(X)
    
    # Criar mesh
    h = 0.02
    x_min, x_max = X_scaled[:, 0].min() - 1, X_scaled[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X_scaled[:, 1].min() - 1, X_scaled[:, 1].max() + 1
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),
                         np.arange(y_min, y_max, h))
    
    # Configurar subplots
    estrategias_visuais = list(estrategias.keys())
    n_strategies = len(estrategias_visuais)
    
    fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(15, 12))
    axes = axes.flatten()
    
    # Dados originais
    scatter = axes[0].scatter(X_scaled[:, 0], X_scaled[:, 1], c=y, cmap='coolwarm', alpha=0.8)
    axes[0].set_title(f'{cenario_nome}\nDados Originais')
    axes[0].set_xlabel('Feature 1')
    axes[0].set_ylabel('Feature 2')
    plt.colorbar(scatter, ax=axes[0])
    
    # Estratégias
    for idx, estrategia_nome in enumerate(estrategias_visuais, 1):
        if idx >= len(axes):
            break
            
        if estrategia_nome in resultados_completos[cenario_nome]:
            resultados = resultados_completos[cenario_nome][estrategia_nome]
            model = resultados['model']
            
            # Prever no mesh
            Z = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
            Z = Z.reshape(xx.shape)
            
            # Plot
            contour = axes[idx].contourf(xx, yy, Z, alpha=0.3, cmap='coolwarm')
            axes[idx].scatter(X_scaled[:, 0], X_scaled[:, 1], c=y, cmap='coolwarm', alpha=0.8)
            
            # Adicionar métricas no título
            f1 = resultados['f1_score']
            recall = resultados['recall']
            title = f'{estrategia_nome}\nF1: {f1:.3f}, Recall: {recall:.3f}'
            axes[idx].set_title(title)
            axes[idx].set_xlabel('Feature 1')
            axes[idx].set_ylabel('Feature 2')
    
    # Remover subplots não utilizados
    for i in range(len(estrategias_visuais) + 1, len(axes)):
        fig.delaxes(axes[i])
    
    plt.tight_layout()
    plt.show()
 
'''
Análise detalhada do recall por classe - VERSÃO CORRIGIDA
'''
print("\n5. ANÁLISE DETALHADA DO RECALL")

for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\n{cenario_nome}:")
    print("="*80)
    print(f"{'Estratégia':<25} {'Recall Classe 0':<15} {'Recall Classe 1':<15} {'Diferença':<12}")
    print("="*80)
    
    if cenario_nome in resultados_completos:
        # CORREÇÃO: Recalcular y_test para cada cenário
        scaler = StandardScaler()
        X_scaled = scaler.fit_transform(X)
        X_train, X_test_correto, y_train, y_test_correto = train_test_split(
            X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y
        )
        
        for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():
            if 'error' not in resultados:
                # CORREÇÃO: Usar y_test_correto em vez de tentar recuperar do dicionário
                y_pred = resultados['predictions']
                
                # Verificar se os tamanhos são compatíveis
                if len(y_pred) == len(y_test_correto):
                    recall_0 = recall_score(y_test_correto, y_pred, pos_label=0)
                    recall_1 = recall_score(y_test_correto, y_pred, pos_label=1)
                    diferenca = abs(recall_0 - recall_1)
                    
                    print(f"{estrategia_nome:<25} {recall_0:<15.3f} {recall_1:<15.3f} {diferenca:<12.3f}")
                else:
                    print(f"{estrategia_nome:<25} {'Tamanho incompatível':<45}")

'''
Análise dos vetores de suporte - VERSÃO CORRIGIDA
'''
print("\n6. ANÁLISE DOS VETORES DE SUPORTE")

for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\n{cenario_nome} - Distribuição dos Vetores de Suporte:")
    print("="*60)
    
    if cenario_nome in resultados_completos:
        for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():
            if 'error' not in resultados and 'support_by_class' in resultados:
                support_by_class = resultados['support_by_class']
                total_support = sum(support_by_class)
                
                if total_support > 0:
                    ratios = [s/total_support for s in support_by_class]
                    print(f"{estrategia_nome:<25}: Classe 0: {support_by_class[0]} ({ratios[0]:.1%}), "
                          f"Classe 1: {support_by_class[1]} ({ratios[1]:.1%})")

'''
Comparação de performance geral - VERSÃO CORRIGIDA
'''
print("\n7. COMPARAÇÃO DE PERFORMANCE GERAL")

print("\nTabela Comparativa - F1-Score por Cenário e Estratégia:")
print("\n" + "="*90)
header = f"{'Cenário':<20} {'SVC Padrão':<12} {'SVC Balanced':<12} {'SVC Custom':<12} {'SVC Ajustado':<12}"
print(header)
print("="*90)

for cenario_nome, X, y in cenarios:
    if cenario_nome in resultados_completos:
        row = f"{cenario_nome:<20}"
        
        for estrategia in ['SVC Padrão', 'SVC Class Weight Balanced', 
                          'SVC Class Weight Custom', 'SVC Ajustado C']:
            if (estrategia in resultados_completos[cenario_nome] and 
                'error' not in resultados_completos[cenario_nome][estrategia]):
                
                f1 = resultados_completos[cenario_nome][estrategia]['f1_score']
                row += f" {f1:<11.3f}"
            else:
                row += f" {'N/A':<11}"
        print(row)

'''
Análise do trade-off precision-recall - VERSÃO CORRIGIDA
'''
print("\n8. ANÁLISE DO TRADE-OFF PRECISION-RECALL")

for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\n{cenario_nome} - Trade-off Precision vs Recall:")
    
    if cenario_nome in resultados_completos:
        for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():
            if 'error' not in resultados:
                precision = resultados['precision']
                recall = resultados['recall']
                f1 = resultados['f1_score']
                
                print(f"  {estrategia_nome:<25}: Precision={precision:.3f}, "
                      f"Recall={recall:.3f}, F1={f1:.3f}")

# CORREÇÃO: Adicionar análise de matriz de confusão
print("\n9. ANÁLISE DAS MATRIZES DE CONFUSÃO")

for cenario_nome, X, y in cenarios:
    print(f"\n{cenario_nome} - Matrizes de Confusão:")
    print("="*50)
    
    if cenario_nome in resultados_completos:
        # Recalcular split para este cenário
        scaler = StandardScaler()
        X_scaled = scaler.fit_transform(X)
        X_train, X_test_conf, y_train, y_test_conf = train_test_split(
            X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y
        )
        
        for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():
            if 'error' not in resultados:
                y_pred = resultados['predictions']
                
                if len(y_pred) == len(y_test_conf):
                    cm = confusion_matrix(y_test_conf, y_pred)
                    print(f"\n{estrategia_nome}:")
                    print(cm)
                    
                    # Adicionar interpretação
                    tn, fp, fn, tp = cm.ravel()
                    print(f"  TN: {tn}, FP: {fp}, FN: {fn}, TP: {tp}")
                else:
                    print(f"\n{estrategia_nome}: Tamanhos incompatíveis para matriz de confusão")

'''
Recomendações práticas para problemas desbalanceados - VERSÃO ATUALIZADA
'''
print("\n10. RECOMENDAÇÕES PRÁTICAS")

print("\nBaseado na análise experimental:")

print("\nEscolha da Estratégia por Nível de Desbalanceamento:")
print("  - Desbalanceamento leve (< 70-30): SVC padrão pode ser suficiente")
print("  - Desbalanceamento moderado (70-30 a 85-15): class_weight='balanced'")
print("  - Desbalanceamento severo (> 85-15): Pesos customizados + ajuste de C")

print("\nConfiguração de Pesos:")
print("  - 'balanced': Boa opção padrão para maioria dos casos")
print("  - Customizado: Quando se conhece os custos de erro por classe")
print("  - Baseado em dados: Calcular pesos baseados na distribuição real")

print("\nAjuste de Hiperparâmetros:")
print("  - Reduzir C para aumentar regularização em dados desbalanceados")
print("  - Kernel RBF geralmente mais robusto que linear")
print("  - Validar com validação cruzada estratificada")

print("\nMétricas de Avaliação:")
print("  - F1-Score: Métrica balanceada para comparação geral")
print("  - Recall: Crítico para detecção da classe minoritária")
print("  - Precision-Recall AUC: Melhor que ROC-AUC para desbalanceamento")
print("  - Matriz de confusão: Para análise detalhada dos erros")

print("\nTécnicas Complementares:")
print("  - Amostragem: SMOTE para oversampling inteligente")
print("  - Ensemble: Combinar múltiplas estratégias")
print("  - Threshold moving: Ajustar limiar de decisão pós-treinamento")

print("\nConsiderações por Domínio:")
print("  - Médico: Alta recall para detecção de doenças raras")
print("  - Fraude: Balancear recall e precision baseado em custos")
print("  - Manutenção: Recall crítico para detecção de falhas")
print("  - Marketing: Precision importante para custo de aquisição")

print("\nBoas Práticas:")
print("  - Sempre usar validação estratificada")
print("  - Reportar múltiplas métricas, não apenas acurácia")
print("  - Considerar custos de negócio na escolha da estratégia")
print("  - Documentar a distribuição das classes no dataset")
print("  - Testar diferentes abordagens antes de decidir")

# CORREÇÃO: Adicionar resumo dos resultados principais
print("\n11. RESUMO DOS RESULTADOS PRINCIPAIS")

print("\nPrincipais Insights Obtidos:")
for cenario_nome, X, y in cenarios:
    if cenario_nome in resultados_completos:
        print(f"\n{cenario_nome}:")
        
        # Encontrar melhor estratégia por F1-Score
        melhor_estrategia = None
        melhor_f1 = 0
        
        for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():
            if 'error' not in resultados and resultados['f1_score'] > melhor_f1:
                melhor_f1 = resultados['f1_score']
                melhor_estrategia = estrategia_nome
        
        if melhor_estrategia:
            melhor_resultado = resultados_completos[cenario_nome][melhor_estrategia]
            print(f"  Melhor estratégia: {melhor_estrategia} (F1: {melhor_f1:.3f})")
            print(f"  Precision: {melhor_resultado['precision']:.3f}, "
                  f"Recall: {melhor_resultado['recall']:.3f}, "
                  f"AUC: {melhor_resultado['roc_auc']:.3f}")

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import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.svm import SVC

from sklearn.model_selection import train_test_split, cross_val_score, StratifiedKFold

from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report, confusion_matrix

from sklearn.metrics import precision_score, recall_score, f1_score, roc_auc_score

from sklearn.datasets import make_classification

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

import warnings

warnings.filterwarnings('ignore')

'''

Estudo comparativo de estratégias para problemas desbalanceados com SVM

'''

print("=== PROBLEMAS DESBALANCEADOS COM SVM ===")

# Criando datasets com diferentes níveis de desbalanceamento

print("\n1. CONFIGURAÇÃO DOS CENÁRIOS DESBALANCEADOS")

# Cenário 1: Desbalanceamento moderado (80-20)

X_moderado, y_moderado = make_classification(

n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,

n_clusters_per_class=1, weights=[0.8, 0.2], random_state=42

)

# Cenário 2: Desbalanceamento severo (90-10)

X_severo, y_severo = make_classification(

n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,

n_clusters_per_class=1, weights=[0.9, 0.1], random_state=42

)

# Cenário 3: Desbalanceamento extremo (95-5)

X_extremo, y_extremo = make_classification(

n_samples=1000, n_features=2, n_informative=2, n_redundant=0,

n_clusters_per_class=1, weights=[0.95, 0.05], random_state=42

)

cenarios = [

('Moderado (80-20)', X_moderado, y_moderado),

('Severo (90-10)', X_severo, y_severo),

('Extremo (95-5)', X_extremo, y_extremo)

]

'''

Configuração das estratégias de tratamento

'''

print("\n2. CONFIGURAÇÃO DAS ESTRATÉGIAS")

# Diferentes abordagens para comparação

estrategias = {

'SVC Padrão': SVC(kernel='rbf', random_state=42),

'SVC Class Weight Balanced': SVC(kernel='rbf', class_weight='balanced', random_state=42),

'SVC Class Weight Custom': SVC(kernel='rbf', class_weight={0: 1, 1: 5}, random_state=42),

'SVC Ajustado C': SVC(kernel='rbf', C=0.1, class_weight='balanced', random_state=42)

}

'''

Avaliação sistemática por cenário

'''

print("\n3. AVALIAÇÃO DAS ESTRATÉGIAS POR CENÁRIO")

resultados_completos = {}

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\n--- {cenario_nome} ---")

# Estatísticas do dataset

unique, counts = np.unique(y, return_counts=True)

n_total = len(y)

ratios = {cls: count/n_total for cls, count in zip(unique, counts)}

print(f"Distribuição: Classe 0: {counts[0]} ({ratios[0]:.1%}), "

f"Classe 1: {counts[1]} ({ratios[1]:.1%})")

# Padronização

scaler = StandardScaler()

X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# Divisão treino-teste estratificada

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(

X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y

)

cenario_resultados = {}

for estrategia_nome, estrategia_model in estrategias.items():

print(f" Avaliando {estrategia_nome}...")

try:

# Treinamento

estrategia_model.fit(X_train, y_train)

# Previsões

y_pred = estrategia_model.predict(X_test)

# Métricas básicas

accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)

precision = precision_score(y_test, y_pred)

recall = recall_score(y_test, y_pred)

f1 = f1_score(y_test, y_pred)

# Probabilidades para AUC (se disponível)

if hasattr(estrategia_model, 'predict_proba'):

y_proba = estrategia_model.predict_proba(X_test)[:, 1]

roc_auc = roc_auc_score(y_test, y_proba)

else:

# Usar decision function como proxy

decision_scores = estrategia_model.decision_function(X_test)

roc_auc = roc_auc_score(y_test, decision_scores)

# Coletar informações

model_info = {

'model': estrategia_model,

'accuracy': accuracy,

'precision': precision,

'recall': recall,

'f1_score': f1,

'roc_auc': roc_auc,

'predictions': y_pred

}

# Vetores de suporte por classe

if hasattr(estrategia_model, 'support_vectors_'):

support_indices = estrategia_model.support_

support_by_class = []

for cls in unique:

class_support = np.sum(y_train[support_indices] == cls)

support_by_class.append(class_support)

model_info['support_by_class'] = support_by_class

cenario_resultados[estrategia_nome] = model_info

print(f" Accuracy: {accuracy:.3f}, Precision: {precision:.3f}, "

f"Recall: {recall:.3f}, F1: {f1:.3f}, AUC: {roc_auc:.3f}")

except Exception as e:

print(f" ERRO: {e}")

cenario_resultados[estrategia_nome] = {'error': str(e)}

resultados_completos[cenario_nome] = cenario_resultados

'''

Visualização das fronteiras de decisão

'''

print("\n4. VISUALIZAÇÃO DAS FRONTEIRAS DE DECISÃO")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\nVisualizando {cenario_nome}...")

scaler = StandardScaler()

X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# Criar mesh

h = 0.02

x_min, x_max = X_scaled[:, 0].min() - 1, X_scaled[:, 0].max() + 1

y_min, y_max = X_scaled[:, 1].min() - 1, X_scaled[:, 1].max() + 1

xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),

np.arange(y_min, y_max, h))

# Configurar subplots

estrategias_visuais = list(estrategias.keys())

n_strategies = len(estrategias_visuais)

fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(15, 12))

axes = axes.flatten()

# Dados originais

scatter = axes[0].scatter(X_scaled[:, 0], X_scaled[:, 1], c=y, cmap='coolwarm', alpha=0.8)

axes[0].set_title(f'{cenario_nome}\nDados Originais')

axes[0].set_xlabel('Feature 1')

axes[0].set_ylabel('Feature 2')

plt.colorbar(scatter, ax=axes[0])

# Estratégias

for idx, estrategia_nome in enumerate(estrategias_visuais, 1):

if idx >= len(axes):

break

if estrategia_nome in resultados_completos[cenario_nome]:

resultados = resultados_completos[cenario_nome][estrategia_nome]

model = resultados['model']

# Prever no mesh

Z = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])

Z = Z.reshape(xx.shape)

# Plot

contour = axes[idx].contourf(xx, yy, Z, alpha=0.3, cmap='coolwarm')

axes[idx].scatter(X_scaled[:, 0], X_scaled[:, 1], c=y, cmap='coolwarm', alpha=0.8)

# Adicionar métricas no título

f1 = resultados['f1_score']

recall = resultados['recall']

title = f'{estrategia_nome}\nF1: {f1:.3f}, Recall: {recall:.3f}'

axes[idx].set_title(title)

axes[idx].set_xlabel('Feature 1')

axes[idx].set_ylabel('Feature 2')

# Remover subplots não utilizados

for i in range(len(estrategias_visuais) + 1, len(axes)):

fig.delaxes(axes[i])

plt.tight_layout()

plt.show()

'''

Análise detalhada do recall por classe - VERSÃO CORRIGIDA

'''

print("\n5. ANÁLISE DETALHADA DO RECALL")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\n{cenario_nome}:")

print("="*80)

print(f"{'Estratégia':<25} {'Recall Classe 0':<15} {'Recall Classe 1':<15} {'Diferença':<12}")

print("="*80)

if cenario_nome in resultados_completos:

# CORREÇÃO: Recalcular y_test para cada cenário

scaler = StandardScaler()

X_scaled = scaler.fit_transform(X)

X_train, X_test_correto, y_train, y_test_correto = train_test_split(

X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y

)

for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():

if 'error' not in resultados:

# CORREÇÃO: Usar y_test_correto em vez de tentar recuperar do dicionário

y_pred = resultados['predictions']

# Verificar se os tamanhos são compatíveis

if len(y_pred) == len(y_test_correto):

recall_0 = recall_score(y_test_correto, y_pred, pos_label=0)

recall_1 = recall_score(y_test_correto, y_pred, pos_label=1)

diferenca = abs(recall_0 - recall_1)

print(f"{estrategia_nome:<25} {recall_0:<15.3f} {recall_1:<15.3f} {diferenca:<12.3f}")

else:

print(f"{estrategia_nome:<25} {'Tamanho incompatível':<45}")

'''

Análise dos vetores de suporte - VERSÃO CORRIGIDA

'''

print("\n6. ANÁLISE DOS VETORES DE SUPORTE")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\n{cenario_nome} - Distribuição dos Vetores de Suporte:")

print("="*60)

if cenario_nome in resultados_completos:

for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():

if 'error' not in resultados and 'support_by_class' in resultados:

support_by_class = resultados['support_by_class']

total_support = sum(support_by_class)

if total_support > 0:

ratios = [s/total_support for s in support_by_class]

print(f"{estrategia_nome:<25}: Classe 0: {support_by_class[0]} ({ratios[0]:.1%}), "

f"Classe 1: {support_by_class[1]} ({ratios[1]:.1%})")

'''

Comparação de performance geral - VERSÃO CORRIGIDA

'''

print("\n7. COMPARAÇÃO DE PERFORMANCE GERAL")

print("\nTabela Comparativa - F1-Score por Cenário e Estratégia:")

print("\n" + "="*90)

header = f"{'Cenário':<20} {'SVC Padrão':<12} {'SVC Balanced':<12} {'SVC Custom':<12} {'SVC Ajustado':<12}"

print(header)

print("="*90)

for cenario_nome, X, y in cenarios:

if cenario_nome in resultados_completos:

row = f"{cenario_nome:<20}"

for estrategia in ['SVC Padrão', 'SVC Class Weight Balanced',

'SVC Class Weight Custom', 'SVC Ajustado C']:

if (estrategia in resultados_completos[cenario_nome] and

'error' not in resultados_completos[cenario_nome][estrategia]):

f1 = resultados_completos[cenario_nome][estrategia]['f1_score']

row += f" {f1:<11.3f}"

else:

row += f" {'N/A':<11}"

print(row)

'''

Análise do trade-off precision-recall - VERSÃO CORRIGIDA

'''

print("\n8. ANÁLISE DO TRADE-OFF PRECISION-RECALL")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\n{cenario_nome} - Trade-off Precision vs Recall:")

if cenario_nome in resultados_completos:

for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():

if 'error' not in resultados:

precision = resultados['precision']

recall = resultados['recall']

f1 = resultados['f1_score']

print(f" {estrategia_nome:<25}: Precision={precision:.3f}, "

f"Recall={recall:.3f}, F1={f1:.3f}")

# CORREÇÃO: Adicionar análise de matriz de confusão

print("\n9. ANÁLISE DAS MATRIZES DE CONFUSÃO")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

print(f"\n{cenario_nome} - Matrizes de Confusão:")

print("="*50)

if cenario_nome in resultados_completos:

# Recalcular split para este cenário

scaler = StandardScaler()

X_scaled = scaler.fit_transform(X)

X_train, X_test_conf, y_train, y_test_conf = train_test_split(

X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y

)

for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():

if 'error' not in resultados:

y_pred = resultados['predictions']

if len(y_pred) == len(y_test_conf):

cm = confusion_matrix(y_test_conf, y_pred)

print(f"\n{estrategia_nome}:")

print(cm)

# Adicionar interpretação

tn, fp, fn, tp = cm.ravel()

print(f" TN: {tn}, FP: {fp}, FN: {fn}, TP: {tp}")

else:

print(f"\n{estrategia_nome}: Tamanhos incompatíveis para matriz de confusão")

'''

Recomendações práticas para problemas desbalanceados - VERSÃO ATUALIZADA

'''

print("\n10. RECOMENDAÇÕES PRÁTICAS")

print("\nBaseado na análise experimental:")

print("\nEscolha da Estratégia por Nível de Desbalanceamento:")

print(" - Desbalanceamento leve (< 70-30): SVC padrão pode ser suficiente")

print(" - Desbalanceamento moderado (70-30 a 85-15): class_weight='balanced'")

print(" - Desbalanceamento severo (> 85-15): Pesos customizados + ajuste de C")

print("\nConfiguração de Pesos:")

print(" - 'balanced': Boa opção padrão para maioria dos casos")

print(" - Customizado: Quando se conhece os custos de erro por classe")

print(" - Baseado em dados: Calcular pesos baseados na distribuição real")

print("\nAjuste de Hiperparâmetros:")

print(" - Reduzir C para aumentar regularização em dados desbalanceados")

print(" - Kernel RBF geralmente mais robusto que linear")

print(" - Validar com validação cruzada estratificada")

print("\nMétricas de Avaliação:")

print(" - F1-Score: Métrica balanceada para comparação geral")

print(" - Recall: Crítico para detecção da classe minoritária")

print(" - Precision-Recall AUC: Melhor que ROC-AUC para desbalanceamento")

print(" - Matriz de confusão: Para análise detalhada dos erros")

print("\nTécnicas Complementares:")

print(" - Amostragem: SMOTE para oversampling inteligente")

print(" - Ensemble: Combinar múltiplas estratégias")

print(" - Threshold moving: Ajustar limiar de decisão pós-treinamento")

print("\nConsiderações por Domínio:")

print(" - Médico: Alta recall para detecção de doenças raras")

print(" - Fraude: Balancear recall e precision baseado em custos")

print(" - Manutenção: Recall crítico para detecção de falhas")

print(" - Marketing: Precision importante para custo de aquisição")

print("\nBoas Práticas:")

print(" - Sempre usar validação estratificada")

print(" - Reportar múltiplas métricas, não apenas acurácia")

print(" - Considerar custos de negócio na escolha da estratégia")

print(" - Documentar a distribuição das classes no dataset")

print(" - Testar diferentes abordagens antes de decidir")

# CORREÇÃO: Adicionar resumo dos resultados principais

print("\n11. RESUMO DOS RESULTADOS PRINCIPAIS")

print("\nPrincipais Insights Obtidos:")

for cenario_nome, X, y in cenarios:

if cenario_nome in resultados_completos:

print(f"\n{cenario_nome}:")

# Encontrar melhor estratégia por F1-Score

melhor_estrategia = None

melhor_f1 = 0

for estrategia_nome, resultados in resultados_completos[cenario_nome].items():

if 'error' not in resultados and resultados['f1_score'] > melhor_f1:

melhor_f1 = resultados['f1_score']

melhor_estrategia = estrategia_nome

if melhor_estrategia:

melhor_resultado = resultados_completos[cenario_nome][melhor_estrategia]

print(f" Melhor estratégia: {melhor_estrategia} (F1: {melhor_f1:.3f})")

print(f" Precision: {melhor_resultado['precision']:.3f}, "

f"Recall: {melhor_resultado['recall']:.3f}, "

f"AUC: {melhor_resultado['roc_auc']:.3f}")

Interpretação dos Resultados

Analisando os experimentos com problemas desbalanceados, podemos observar padrões importantes:

O SVM padrão tende a favorecer a classe majoritária, resultando em alto recall para a classe 0 mas baixo recall para a classe 1
O uso de class_weight='balanced' equilibra significativamente o recall entre classes
Estratégias customizadas permitem ajuste fino baseado em custos específicos de erro
O ajuste do parâmetro C em conjunto com pesos de classe pode melhorar ainda mais a performance

Considerações para Aplicações Práticas

Seleção da Estratégia Ótima

Inegavelmente, a escolha da estratégia depende do contexto específico do problema:

Acurácia balanceada: Quando todas as classes são igualmente importantes
Recall da classe minoritária: Para detecção de eventos raros ou críticos
Precision da classe minoritária: Quando falsos positivos são custosos
F1-Score: Para balanceamento geral entre precision e recall

Avaliação de Custo-Benefício

Para aplicações reais, a escolha deve considerar os custos associados a diferentes tipos de erro:

Custo de falsos negativos (não detectar a classe minoritária)
Custo de falsos positivos (alarmes falsos)
Benefício de verdadeiros positivos
Impacto operacional das decisões erradas

Conclusão

O tratamento adequado de problemas desbalanceados representa uma habilidade essencial para praticantes de machine learning. Embora as SVM sejam classificadores poderosos, seu desempenho em datasets desbalanceados depende criticamente da escolha apropriada de estratégias de ponderação e configuração de parâmetros.

Portanto, o domínio dessas técnicas permite extrair o máximo valor dos classificadores SVM em cenários do mundo real, onde distribuições desbalanceadas são a regra rather than a exceção, garantindo modelos robustos e alinhados com os objetivos de negócio específicos.

Referência

Este post explora o item 1.4.1.3. Problemas desbalanceados da documentação do scikit-learn:

https://scikit-learn.org/0.21/modules/svm.html#unbalanced-problems