Classificação é, provavelmente, a tarefa mais estudada na área de Aprendizado de Máquina, possuindo aplicação em uma grande quantidade de problemas reais, como categorização de textos, diagnóstico médico, problemas de bioinformática, além de aplicações comerciais e industriais. De um modo geral, os problemas de classificação podem ser categorizados quanto ao número de rótulos de classe que podem ser associados à cada exemplo de entrada. A abordagem mais investigada pela comunidade de Aprendizado de Máquina é a de classes mutuamente exclusivas. Entretanto, existe uma grande variedade de problemas importantes em que cada exemplo de entrada pode ser associado a mais de um rótulo ou classe. Esses problemas são denominados problemas de classificação multirrótulo. Os Learning Classifier Systems(LCS) constituem uma técnica de Indução de Regras de Classificação que tem como principal mecanismo de busca um Algoritmo Genético. Essa técnica busca encontrar um conjunto de regras que tenha alta precisão de classificação, que seja compreensível e que possua regras consideradas interessantes sob o ponto de vista de classificação. Apesar de existirem na literatura diversos trabalhos sobre os LCS para problemas de classificação com classes mutuamente exclusivas, pouco se tem conhecimento sobre um LCS que seja capaz de lidar com problemas multirrótulo. Dessa maneira, o objetivo desta monografia é apresentar uma proposta de LCS para problemas multirrótulo, que pretende induzir um conjunto de regras de classificação que produza um resultado eficaz e comparável com outras técnicas de classificação. De acordo com esse objetivo, apresenta-se também uma revisão bibliográfica dos temas envolvidos na proposta, que são: Sistemas Classificadores Evolutivos e Classificação Multirrótulo / Classification is probably the most studied task in the Machine Learning area, with applications in a broad number of real problems like text categorization, medical diagnosis, bioinformatics and even comercial and industrial applications. Generally, classification problems can be categorized considering the number of class labels associated to each input instance. The most studied approach by the community of Machine Learning is the one that considers mutually exclusive classes. However, there is a large variety of important problems in which each instance can be associated to more than one class label. This problems are called multi-label classification problems. Learning Classifier Systems (LCS) are a technique for rule induction which uses a Genetic Algorithm as the primary search mechanism. This technique searchs for sets of rules that have high classification accuracy and that are also understandable and interesting on the classification point of view. Although there are several works on LCS for classification problems with mutually exclusive classes, there is no record of an LCS that can deal with the multi-label classification problem. The objective of this work is to propose an LCS for multi-label classification that builds a set of classification rules which achieves results that are efficient and comparable to other multi-label methods. In accordance with this objective this work also presents a review of the themes involved: Learning Classifier Systems and Multi-label Classification

Classificação é, provavelmente, a tarefa mais estudada na área de Aprendizado de Máquina, possuindo aplicação em uma grande quantidade de problemas reais, como categorização de textos, diagnóstico médico, problemas de bioinformática, além de aplicações comerciais e industriais. De um modo geral, os problemas de classificação podem ser categorizados quanto ao número de rótulos de classe que podem ser associados à cada exemplo de entrada. A abordagem mais investigada pela comunidade de Aprendizado de Máquina é a de classes mutuamente exclusivas. Entretanto, existe uma grande variedade de problemas importantes em que cada exemplo de entrada pode ser associado a mais de um rótulo ou classe. Esses problemas são denominados problemas de classificação multirrótulo. Os Learning Classifier Systems(LCS) constituem uma técnica de Indução de Regras de Classificação que tem como principal mecanismo de busca um Algoritmo Genético. Essa técnica busca encontrar um conjunto de regras que tenha alta precisão de classificação, que seja compreensível e que possua regras consideradas interessantes sob o ponto de vista de classificação. Apesar de existirem na literatura diversos trabalhos sobre os LCS para problemas de classificação com classes mutuamente exclusivas, pouco se tem conhecimento sobre um LCS que seja capaz de lidar com problemas multirrótulo. Dessa maneira, o objetivo desta monografia é apresentar uma proposta de LCS para problemas multirrótulo, que pretende induzir um conjunto de regras de classificação que produza um resultado eficaz e comparável com outras técnicas de classificação. De acordo com esse objetivo, apresenta-se também uma revisão bibliográfica dos temas envolvidos na proposta, que são: Sistemas Classificadores Evolutivos e Classificação Multirrótulo / Classification is probably the most studied task in the Machine Learning area, with applications in a broad number of real problems like text categorization, medical diagnosis, bioinformatics and even comercial and industrial applications. Generally, classification problems can be categorized considering the number of class labels associated to each input instance. The most studied approach by the community of Machine Learning is the one that considers mutually exclusive classes. However, there is a large variety of important problems in which each instance can be associated to more than one class label. This problems are called multi-label classification problems. Learning Classifier Systems (LCS) are a technique for rule induction which uses a Genetic Algorithm as the primary search mechanism. This technique searchs for sets of rules that have high classification accuracy and that are also understandable and interesting on the classification point of view. Although there are several works on LCS for classification problems with mutually exclusive classes, there is no record of an LCS that can deal with the multi-label classification problem. The objective of this work is to propose an LCS for multi-label classification that builds a set of classification rules which achieves results that are efficient and comparable to other multi-label methods. In accordance with this objective this work also presents a review of the themes involved: Learning Classifier Systems and Multi-label Classification

A tarefa de classificação em Aprendizado de Máquina consiste da criação de modelos computacionais capazes de identificar automaticamente a classe de objetos pertencentes a um domínio pré-definido a partir de um conjunto de exemplos cuja classe é conhecida. Existem alguns cenários de classificação nos quais cada objeto pode estar associado não somente a uma classe, mas a várias classes ao mesmo tempo. Adicionalmente, nesses cenários denominados multirrótulo, as classes podem ser organizadas em uma taxonomia que representa as relações de generalização e especialização entre as diferentes classes, definindo uma hierarquia de classes, o que torna a tarefa de classificação ainda mais específica, denominada classificação hierárquica. Os métodos utilizados para a construção desses modelos de classificação são complexos e dependem fortemente da disponibilidade de uma quantidade expressiva de exemplos previamente classificados. Entretanto, para muitas aplicações é difícil encontrar um número significativo desses exemplos. Além disso, com poucos exemplos, os algoritmos de aprendizado supervisionado não são capazes de construir modelos de classificação eficazes. Nesses casos, é possível utilizar métodos de aprendizado semissupervisionado, cujo objetivo é aprender as classes do domínio utilizando poucos exemplos conhecidos conjuntamente com um número considerável de exemplos sem a classe especificada. Neste trabalho são propostos, entre outros, métodos que fazem uso do aprendizado semissupervisionado baseado em desacordo coperspectiva, tanto para a tarefa de classificação multirrótulo plana quanto para a tarefa de classificação hierárquica. São propostos, também, outros métodos que utilizam o aprendizado ativo com intuito de melhorar a performance de algoritmos de classificação semissupervisionada. Além disso, são propostos dois métodos para avaliação de algoritmos multirrótulo e hierárquico, os quais definem estratégias para identificação dos multirrótulos majoritários, que são utilizados para calcular os valores baseline das medidas de avaliação. Foi desenvolvido um framework para realizar a avaliação experimental da classificação hierárquica, no qual foram implementados os métodos propostos e um módulo completo para realizar a avaliação experimental de algoritmos hierárquicos. Os métodos propostos foram avaliados e comparados empiricamente, considerando conjuntos de dados de diversos domínios. A partir da análise dos resultados observa-se que os métodos baseados em desacordo não são eficazes para tarefas de classificação complexas como multirrótulo e hierárquica. Também é observado que o problema central de degradação do modelo dos algoritmos semissupervisionados agrava-se nos casos de classificação multirrótulo e hierárquica, pois, nesses casos, há um incremento nos fatores responsáveis pela degradação nos modelos construídos utilizando aprendizado semissupervisionado baseado em desacordo coperspectiva / In machine learning, the task of classification consists on creating computational models that are able to automatically identify the class of objects belonging to a predefined domain from a set of examples whose class is known a priori. There are some classification scenarios in which each object can be associated to more than one class at the same time. Moreover, in such multilabeled scenarios, classes can be organized in a taxonomy that represents the generalization and specialization relationships among the different classes, which defines a class hierarchy, making the classification task, known as hierarchical classification, even more specific. The methods used to build such classification models are complex and highly dependent on the availability of an expressive quantity of previously classified examples. However, for a large number of applications, it is difficult to find a significant number of such examples. Moreover, when few examples are available, supervised learning algorithms are not able to build efficient classification models. In such situations it is possible to use semi-supervised learning, whose aim is to learn the classes of the domain using a few classified examples in conjunction to a considerable number of examples with no specified class. In this work, we propose methods that use the co-perspective disagreement based learning approach for both, the flat multilabel classification and the hierarchical classification tasks, among others. We also propose other methods that use active learning, aiming at improving the performance of semi-supervised learning algorithms. Additionally, two methods for the evaluation of multilabel and hierarchical learning algorithms are proposed. These methods define strategies for the identification of the majority multilabels, which are used to estimate the baseline evaluation measures. A framework for the experimental evaluation of the hierarchical classification was developed. This framework includes the implementations of the proposed methods as well as a complete module for the experimental evaluation of the hierarchical algorithms. The proposed methods were empirically evaluated considering datasets from various domains. From the analysis of the results, it can be observed that the methods based on co-perspective disagreement are not effective for complex classification tasks, such as the multilabel and hierarchical classification. It can also be observed that the main degradation problem of the models of the semi-supervised algorithms worsens for the multilabel and hierarchical classification due to the fact that, for these cases, there is an increase in the causes of the degradation of the models built using semi-supervised learning based on co-perspective disagreement

Muitos problemas de classificação descritos na literatura de aprendizado de máquina e mineração de dados dizem respeito à classificação em que cada exemplo pertence a um único rótulo. Porém, vários problemas de classificação, principalmente no campo de Bioinformática são associados a mais de um rótulo; esses problemas são conhecidos como problemas de classificação multirrótulo. O princípio básico da classificação multirrótulo é similar ao da classificação tradicional (que possui um único rótulo), sendo diferenciada no número de rótulos a serem preditos, na qual há dois ou mais rótulos. Na área da Bioinformática muitos problemas são compostos por uma grande quantidade de rótulos em que cada exemplo pode estar associado. Porém, algoritmos de classificação tradicionais são incapazes de lidar com um conjunto de exemplos mutirrótulo, uma vez que esses algoritmos foram projetados para predizer um único rótulo. Uma solução mais simples é utilizar o método conhecido como método Binary Relevance. Porém, estudos mostraram que tal abordagem não constitui uma boa solução para o problema da classificação multirrótulo, pois cada classe é tratada individualmente, ignorando as possíveis relações entre elas. Dessa maneira, o objetivo dessa pesquisa foi propor uma nova adaptação do método Binary Relevance que leva em consideração relações entre os rótulos para tentar minimizar sua desvantagem, além de também considerar a capacidade de interpretabilidade do modelo gerado, não só o desempenho. Os resultados experimentais mostraram que esse novo método é capaz de gerar árvores que relacionam os rótulos correlacionados e também possui um desempenho comparável ao de outros métodos, obtendo bons resultados usando a medida-F. / Many classification problems described in the literature on Machine Learning and Data Mining relate to the classification in which each example belongs to a single class. However, many classification problems, especially in the field of Bioinformatics, are associated with more than one class; these problems are known as multi-label classification problems. The basic principle of multi-label classification is similar to the traditional classification (single label), and distinguished by the number of classes to be predicted, in this case, in which there are two or more labels. In Bioinformatics many problems are composed of a large number of labels that can be associated with each example. However, traditional classification algorithms are unable to cope with a set of multi-label examples, since these algorithms are designed to predict a single label. A simpler solution is to use the method known as Binary Relevance. However, studies have shown that this approach is not a good solution to the problem of multi-label classification because each class is treated individually, ignoring possible relations between them. Thus, the objective of this research was to propose a new adaptation of Binary Relevance method that took into account relations between labels trying to minimize its disadvantage, and also consider the ability of interpretability of the model generated, not just its performance. The experimental results show that this new method is capable of generating trees that relate labels and also has a performance comparable to other methods, obtaining good results using F-measure.

A tarefa de classificação em Aprendizado de Máquina consiste da criação de modelos computacionais capazes de identificar automaticamente a classe de objetos pertencentes a um domínio pré-definido a partir de um conjunto de exemplos cuja classe é conhecida. Existem alguns cenários de classificação nos quais cada objeto pode estar associado não somente a uma classe, mas a várias classes ao mesmo tempo. Adicionalmente, nesses cenários denominados multirrótulo, as classes podem ser organizadas em uma taxonomia que representa as relações de generalização e especialização entre as diferentes classes, definindo uma hierarquia de classes, o que torna a tarefa de classificação ainda mais específica, denominada classificação hierárquica. Os métodos utilizados para a construção desses modelos de classificação são complexos e dependem fortemente da disponibilidade de uma quantidade expressiva de exemplos previamente classificados. Entretanto, para muitas aplicações é difícil encontrar um número significativo desses exemplos. Além disso, com poucos exemplos, os algoritmos de aprendizado supervisionado não são capazes de construir modelos de classificação eficazes. Nesses casos, é possível utilizar métodos de aprendizado semissupervisionado, cujo objetivo é aprender as classes do domínio utilizando poucos exemplos conhecidos conjuntamente com um número considerável de exemplos sem a classe especificada. Neste trabalho são propostos, entre outros, métodos que fazem uso do aprendizado semissupervisionado baseado em desacordo coperspectiva, tanto para a tarefa de classificação multirrótulo plana quanto para a tarefa de classificação hierárquica. São propostos, também, outros métodos que utilizam o aprendizado ativo com intuito de melhorar a performance de algoritmos de classificação semissupervisionada. Além disso, são propostos dois métodos para avaliação de algoritmos multirrótulo e hierárquico, os quais definem estratégias para identificação dos multirrótulos majoritários, que são utilizados para calcular os valores baseline das medidas de avaliação. Foi desenvolvido um framework para realizar a avaliação experimental da classificação hierárquica, no qual foram implementados os métodos propostos e um módulo completo para realizar a avaliação experimental de algoritmos hierárquicos. Os métodos propostos foram avaliados e comparados empiricamente, considerando conjuntos de dados de diversos domínios. A partir da análise dos resultados observa-se que os métodos baseados em desacordo não são eficazes para tarefas de classificação complexas como multirrótulo e hierárquica. Também é observado que o problema central de degradação do modelo dos algoritmos semissupervisionados agrava-se nos casos de classificação multirrótulo e hierárquica, pois, nesses casos, há um incremento nos fatores responsáveis pela degradação nos modelos construídos utilizando aprendizado semissupervisionado baseado em desacordo coperspectiva / In machine learning, the task of classification consists on creating computational models that are able to automatically identify the class of objects belonging to a predefined domain from a set of examples whose class is known a priori. There are some classification scenarios in which each object can be associated to more than one class at the same time. Moreover, in such multilabeled scenarios, classes can be organized in a taxonomy that represents the generalization and specialization relationships among the different classes, which defines a class hierarchy, making the classification task, known as hierarchical classification, even more specific. The methods used to build such classification models are complex and highly dependent on the availability of an expressive quantity of previously classified examples. However, for a large number of applications, it is difficult to find a significant number of such examples. Moreover, when few examples are available, supervised learning algorithms are not able to build efficient classification models. In such situations it is possible to use semi-supervised learning, whose aim is to learn the classes of the domain using a few classified examples in conjunction to a considerable number of examples with no specified class. In this work, we propose methods that use the co-perspective disagreement based learning approach for both, the flat multilabel classification and the hierarchical classification tasks, among others. We also propose other methods that use active learning, aiming at improving the performance of semi-supervised learning algorithms. Additionally, two methods for the evaluation of multilabel and hierarchical learning algorithms are proposed. These methods define strategies for the identification of the majority multilabels, which are used to estimate the baseline evaluation measures. A framework for the experimental evaluation of the hierarchical classification was developed. This framework includes the implementations of the proposed methods as well as a complete module for the experimental evaluation of the hierarchical algorithms. The proposed methods were empirically evaluated considering datasets from various domains. From the analysis of the results, it can be observed that the methods based on co-perspective disagreement are not effective for complex classification tasks, such as the multilabel and hierarchical classification. It can also be observed that the main degradation problem of the models of the semi-supervised algorithms worsens for the multilabel and hierarchical classification due to the fact that, for these cases, there is an increase in the causes of the degradation of the models built using semi-supervised learning based on co-perspective disagreement

Muitos problemas de classificação descritos na literatura de aprendizado de máquina e mineração de dados dizem respeito à classificação em que cada exemplo pertence a um único rótulo. Porém, vários problemas de classificação, principalmente no campo de Bioinformática são associados a mais de um rótulo; esses problemas são conhecidos como problemas de classificação multirrótulo. O princípio básico da classificação multirrótulo é similar ao da classificação tradicional (que possui um único rótulo), sendo diferenciada no número de rótulos a serem preditos, na qual há dois ou mais rótulos. Na área da Bioinformática muitos problemas são compostos por uma grande quantidade de rótulos em que cada exemplo pode estar associado. Porém, algoritmos de classificação tradicionais são incapazes de lidar com um conjunto de exemplos mutirrótulo, uma vez que esses algoritmos foram projetados para predizer um único rótulo. Uma solução mais simples é utilizar o método conhecido como método Binary Relevance. Porém, estudos mostraram que tal abordagem não constitui uma boa solução para o problema da classificação multirrótulo, pois cada classe é tratada individualmente, ignorando as possíveis relações entre elas. Dessa maneira, o objetivo dessa pesquisa foi propor uma nova adaptação do método Binary Relevance que leva em consideração relações entre os rótulos para tentar minimizar sua desvantagem, além de também considerar a capacidade de interpretabilidade do modelo gerado, não só o desempenho. Os resultados experimentais mostraram que esse novo método é capaz de gerar árvores que relacionam os rótulos correlacionados e também possui um desempenho comparável ao de outros métodos, obtendo bons resultados usando a medida-F. / Many classification problems described in the literature on Machine Learning and Data Mining relate to the classification in which each example belongs to a single class. However, many classification problems, especially in the field of Bioinformatics, are associated with more than one class; these problems are known as multi-label classification problems. The basic principle of multi-label classification is similar to the traditional classification (single label), and distinguished by the number of classes to be predicted, in this case, in which there are two or more labels. In Bioinformatics many problems are composed of a large number of labels that can be associated with each example. However, traditional classification algorithms are unable to cope with a set of multi-label examples, since these algorithms are designed to predict a single label. A simpler solution is to use the method known as Binary Relevance. However, studies have shown that this approach is not a good solution to the problem of multi-label classification because each class is treated individually, ignoring possible relations between them. Thus, the objective of this research was to propose a new adaptation of Binary Relevance method that took into account relations between labels trying to minimize its disadvantage, and also consider the ability of interpretability of the model generated, not just its performance. The experimental results show that this new method is capable of generating trees that relate labels and also has a performance comparable to other methods, obtaining good results using F-measure.

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