Imbalanced Learn : la bibliothèque Python de rééquilbrage des datasets ML

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Imbalanced Learn est une bibliothèque Python open source permettant de remédier au problème de déséquilibre des classes dans les ensembles de données de Machine Learning. Découvrez pourquoi elle s’avère particulièrement utile, et comment apprendre à la maîtriser !

À moins d’être doté d’un sixième sens ou d’avoir des prémonitions, il est essentiel de disposer d’informations fiables pour tenter d’anticiper le futur. Pour la même raison, dans le domaine du Machine Learning, la qualité des données d’entraînement est un impératif.

Pour cause, elle impacte fortement la qualité des prédictions d’un modèle. Si les données sont erronées dès le départ, les résultats des calculs le seront aussi.

Cependant, de nombreux ensembles de données réels ont un grave défaut : elles présentent des classes déséquilibrées. Cela signifie tout simplement qu’une classe est significativement plus représentée que les autres.

Or, ce déséquilibre peut entraîner des biais dans la performance des modèles. Les classes minoritaires seront souvent négligées, tandis que les classes majoritaires seront privilégiées.

Pour pallier ce problème, diverses techniques et outils ont été développés. Parmi elles, une bibliothèque Python entièrement dédiée à la gestion efficace de ce problème de déséquilibre de classe : Imbalanced Learn.

Qu’est-ce que le déséquilibre de classe ? Pourquoi est-ce un problème ?

On parle de déséquilibre de classe lorsqu’il y a une distribution inégale des classes dans un ensemble de données, avec une classe dominante et une ou plusieurs classes minoritaires.

Les causes de ce déséquilibre peuvent être multiples, allant de la collecte de données biaisées à la nature intrinsèque du phénomène étudié. Par exemple, dans le domaine médical, certaines maladies peuvent être beaucoup plus rares que d’autres.

C’est ce qui peut conduire à un déséquilibre dans les datasets. Alors, quelles sont les conséquences potentielles ?

L’impact sur les performances des modèles de Machine Learning peut être significatif. En raison de la prédominance des classes majoritaires, les modèles ont tendance à développer des biais et favoriser la prédiction de ces classes au détriment des minoritaires.

Cela peut conduire à des erreurs coûteuses dans des domaines tels que la détection de fraudes, le diagnostic médical, ou encore la détection d’anomalies. Pour cause, la prédiction précise des classes minoritaires y est cruciale.

Ainsi, gérer efficacement ce déséquilibre est impératif pour garantir des prédictions fiables et précises dans diverses applications du Machine Learning. C’est ce qui permet d’améliorer la sensibilité, la spécificité, et d’autres métriques d’évaluation permettant aux modèles de mieux généraliser et de répondre aux besoins réels des applications.

Imbalanced Learn : une bibliothèque Python pour surmonter cet obstacle

Conçue pour traiter les problèmes liés au déséquilibre de classe dans les ensembles de données de Machine Learning, Imbalanced Learn est une bibliothèque Python open-source.

Elle offre une gamme complète de techniques de rééchantillonnage, de sous-échantillonnage, de suréchantillonnage et de combinaisons hybrides pour équilibrer les classes et améliorer les performances des modèles.

En guise d’exemples, on peut citer SMOTE (Synthetic Minority Over-Sampling Technique), Random Under-Sampling, et d’autres techniques avancées pour traiter les classes minoritaires et majoritaires.

Grâce à son intégration fluide avec d’autres bibliothèques populaires comme Scikit-learn, elle facilite la résolution du problème. Il s’agit d’ailleurs d’une extension de Scikit-learn.

Elle s’intègre donc parfaitement avec les pipelines, les estimateurs et les outils de prétraitement, offrant une solution holistique pour la gestion du déséquilibre de classe.

Cette bibliothèque s’accompagne d’une documentation exhaustive, d’exemples de code et de tutoriels pour aider les utilisateurs à comprendre et à utiliser efficacement ses fonctionnalités.

À quoi ça sert ? Quels sont les cas d’usage ?

L’un des exemples emblématiques d’application d’Imbalanced Learn est la détection de fraudes financières. En utilisant les techniques de rééchantillonnage, les institutions financières sont en mesure d’améliorer la capacité de leurs modèles à identifier les transactions frauduleuses tout en réduisant les faux positifs. Ceci garantit une sécurité accrue.

Dans le domaine médical, l’imagerie diagnostique et la détection précoce de maladies peuvent bénéficier grandement des fonctionnalités de cette bibliothèque Python.

En équilibrant les classes et en optimisant les modèles ML, les cliniciens peuvent obtenir des résultats plus fiables. Ceci permet d’accélérer les diagnostics, d’améliorer les taux de détection et d’optimiser les soins aux patients.

De même, dans le secteur industriel, Imbalanced Learn peut être appliqué à la prévision de défaillances et à la maintenance prédictive.

Ceci offre des avantages majeurs, car l’identification des risques et des anomalies dans les systèmes et équipements aide à minimiser les temps d’arrêt. Les coûts opérationnels s’en trouvent réduits, tandis que la fiabilité et la durabilité des infrastructures et des actifs augmentent.

Zoom sur les techniques de rééchantillonnage

Penchons-nous maintenant plus en détail sur les différentes techniques de rééchantillonnage proposées par Imbalanced Learn, et la façon dont elles permettent le rééquilibrage des datasets.

Le suréchantillonnage implique la génération de données synthétiques pour les classes minoritaires, afin d’augmenter leur représentation dans l’ensemble de données.

Des techniques comme SMOTE créent de nouveaux échantillons en interpolant entre les instances existantes de la classe minoritaire, améliorant ainsi la capacité du modèle à généraliser et à prédire avec précision les classes minoritaires.

Au contraire, le sous-échantillonnage vise à réduire le nombre d’échantillons de la classe majoritaire. Cette approche peut être utile dans les cas où le suréchantillonnage n’est pas souhaitable ou possible en raison de contraintes de calcul ou de risques de surajustement.

Les techniques comme Random Under-Sampling suppriment aléatoirement des échantillons de la classe majoritaire pour équilibrer la distribution des classes.

Afin de maximiser les avantages des deux approches, des techniques hybrides peuvent être utilisées. Elles combinent à la fois le suréchantillonnage et le sous-échantillonnage pour atteindre un équilibre optimal entre les classes.

Ces méthodes hybrides offrent une flexibilité et permettent de mieux adapter les stratégies de rééchantillonnage aux caractéristiques spécifiques des datasets et aux exigences des applications.

Les méthodes d’évaluation et de comparaison

Le rééquilibrage est une première étape essentielle, mais comment évaluer sa réussite ? Plusieurs métriques d’évaluation existent, mais il convient de choisir les plus pertinentes qui tiennent compte de la distribution inégale des classes.

La Précision (Precision) mesure l’exactitude des prédictions positives, tandis que le Rappel (Recall) mesure la capacité du modèle à identifier correctement les instances positives.

De son côté, le F-Score est la moyenne harmonique entre la précision et le rappel. La courbe ROC et AUC, quant à elle, évalue la performance du modèle en fonction de différents seuils de classification.

De même, pour évaluer l’efficacité des techniques de rééchantillonnage implémentées avec Imbalanced Learn, suivre des méthodologies rigoureuses est indispensable.

Cela peut inclure la division stratifiée des ensembles de données, la validation croisée, et la comparaison des métriques d’évaluation sur plusieurs expérimentations. Le but est de déterminer la meilleure stratégie.

Imbalanced Learn et l’intégration avec d’autres outils et bibliothèques

Comme nous l’évoquions plus tôt, l’un des grands avantages d’Imbalanced Learn est son intégration native avec scikit-learn : une bibliothèque Python couramment utilisée pour l’apprentissage automatique.

Cette intégration permet aux utilisateurs d’incorporer très facilement les fonctionnalités d’Imbalanced Learn dans leurs pipelines d’apprentissage, en combinant des techniques de rééchantillonnage avec des estimateurs de scikit-learn pour construire des modèles robustes et équilibrés.

Par ailleurs, elle peut également être intégrée avec d’autres frameworks et outils de Machine Learning comme TensorFlow, PyTorch, et d’autres bibliothèques populaires.

Cette compatibilité étendue permet aux utilisateurs d’exploiter les fonctionnalités avancées dans divers environnements et architectures, offrant une flexibilité et une adaptabilité largement accrues.

Les chercheurs et ingénieurs en Machine Learning ont la possibilité d’appliquer des techniques de rééchantillonnage avancées dans des domaines tels que la vision par ordinateur, le traitement du langage naturel, et d’autres applications nécessitant des architectures de réseau neuronal profond.

Avec l’évolution vers des architectures distribuées et des environnements edge computing, l’intégration d’Imbalanced Learn dans des solutions cloud et edge est aussi devenue primordiale.

Les bibliothèques compatibles et les outils d’orchestration Kubernetes peuvent faciliter le déploiement et la gestion de modèles équilibrés, permettant ainsi une mise à l’échelle efficace et une exécution en temps réel dans des environnements diversifiés et dynamiques.

Conclusion : Imbalanced Learn, un précieux atout contre le déséquilibre des classes

En permettant d’améliorer les performances des modèles de Machine Learning sur des ensembles de données déséquilibrés, Imbalanced Learn représente une ressource précieuse et inestimable.

Elle permet aux chercheurs, aux professionnels et aux organisations cherchant à maximiser leur précision et leur efficacité dans des contextes complexes et exigeants.

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