Aprendizado Não Supervisionado
2026-10-04
O Paradigma da Reconstrução
A Ruptura de Paradigma
Em 2 dimensões, é matematicamente impossível reconstruir 30 ou 784 variáveis sem perder a maior parte da informação. Se o critério for errar o mínimo nas distâncias globais, a estrutura de vizinhanças locais é completamente esmagada.
O Fenômeno de Concentração de Volume
O Efeito da Cauda Pesada
A cauda pesada permite empurrar aglomerados distantes para longe no plano, liberando o interior para revelar com extrema fidelidade quem é vizinho de quem.
O Teste Prático no MNIST (\(D=784 \to d=2\))
Projetar \(N=1.500\) dígitos em 2D sem supervisão por PCA, MDS e t-SNE.
O Tetraedro no Plano
Se tivermos 4 pontos mutuamente equidistantes em \(\mathbb{R}^3\) (os vértices de um tetraedro regular tridimensional), é geometricamente possível posicioná-los em uma folha plana \(\mathbb{R}^2\) de modo que as 6 distâncias entre pares permaneçam exatamente iguais?
Dica para discussão: Quantos pontos mutuamente equidistantes cabem em um plano euclidiano? O que isso implica quando tentamos projetar 30 ou 784 dimensões em um gráfico 2D?
V ou F: Restrições Geométricas em Baixa Dimensão
Julgue V ou F — a questão só conta se acertar os 4 itens:
V ou F: Resposta
Voltando à pergunta: No plano \(\mathbb{R}^2\), só cabem 3 pontos mutuamente equidistantes (um triângulo equilátero). O quarto ponto teria que ficar no baricentro, cuja distância aos vértices é \(1/\sqrt{3} \approx 0{,}58 \neq 1\). Em \(D\) dimensões, podemos ter \(D+1\) vizinhos equidistantes. É impossível manter todas as distâncias ao mesmo tempo em 2D; somos obrigados a escolher preservar a vizinhança local.
O Volume da Hiperesfera
\[V_D(r) \propto r^D \quad \Longrightarrow \quad \text{Em 2D: } V_2(r) \propto r^2\]
O “Crowding Problem”
Se forçarmos as distâncias no mapa 2D a serem diretamente proporcionais às distâncias na alta dimensão, todos os pontos não mutuamente vizinhos competirão pela mesma área periférica limitada, gerando uma resultante de forças que esmaga tudo no centro.
O Critério do Stress (Kruskal, 1964)
\[\sigma_M(\mathbf{Y}) = \sum_{i < j} \left( \|\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_j\| - \|\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j\| \right)^2\]
O Balanço Perverso de Erros
Conclusão Metodológica
Métodos baseados em Stress métrico global são estruturalmente incapazes de resolver agrupamentos densos e curvados em duas dimensões.
Erro Absoluto vs. Erro Relativo no MDS
Se um algoritmo de redução de dimensionalidade minimiza \(\sum_{i<j} (d_{ij}^{(X)} - d_{ij}^{(Y)})^2\), qual dos seguintes desvios gera maior aumento na função de custo? - (A) Uma distância entre vizinhos imediatos que era \(0{,}5\) e virou \(2{,}5\). - (B) Uma distância entre pontos de clusters distintos que era \(40{,}0\) e virou \(37{,}0\).
Dica para discussão: Calcule as duas contribuições quadráticas e reflita sobre o impacto visual de cada uma no mapa 2D.
V ou F: Propriedades do MDS
Julgue V ou F — a questão só conta se acertar os 4 itens:
V ou F: Resposta
Voltando à pergunta: O caso (B) gera \((40 - 37)^2 = 9{,}0\), enquanto o caso (A) gera \((0{,}5 - 2{,}5)^2 = 4{,}0\). O algoritmo prefere tolerar que dois vizinhos se afastem em 400% do que permitir uma variação de 7,5% em pontos distantes.
De Distância Rígida para Probabilidade de Vizinhança (Hinton & Roweis, 2002)
Em vez de fixar \(d_{ij} \in \mathbb{R}\), calculamos a probabilidade de \(\mathbf{x}_i\) escolher \(\mathbf{x}_j\) como vizinho: \[p_{j|i} = \frac{\exp(-\|\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_j\|^2 / 2\sigma_i^2)}{\sum_{k \ne i} \exp(-\|\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_k\|^2 / 2\sigma_i^2)}, \quad p_{i|i} = 0\]
Definição Formal
\[\text{Perp}(P_i) = 2^{H(P_i)}, \quad H(P_i) = -\sum_{j \ne i} p_{j|i} \log_2 p_{j|i}\]
Probabilidades Conjuntas e Divergência KL
\[p_{ij} = \frac{p_{j|i} + p_{i|j}}{2N}, \quad C = \mathrm{KL}(P \parallel Q) = \sum_{i \ne j} p_{ij} \ln \frac{p_{ij}}{q_{ij}}\]
O Mecanismo da KL: \(p_{ij} \ln(p_{ij} / q_{ij})\)
Efeito Prático
O SNE foca 100% de sua energia em não separar vizinhos. Ele não se importa com a distância exata entre clusters distantes.
O Comportamento da Divergência KL
Por que a formulação \(\mathrm{KL}(P \parallel Q)\) tolera que dois clusters não relacionados se aproximem no mapa 2D, mas proíbe terminantemente que um cluster homogêneo seja partido ao meio? O que mudaria se minimizássemos a divergência inversa \(\mathrm{KL}(Q \parallel P)\)?
Dica para discussão: Analise o fator que multiplica o logaritmo em cada caso quando \(p_{ij}=0\) ou \(q_{ij}=0\).
V ou F: SNE e Perplexidade
Julgue V ou F — a questão só conta se acertar os 4 itens:
V ou F: Resposta
Voltando à pergunta: Quando \(p_{ij} \approx 0\) (pontos de clusters diferentes), o termo \(p_{ij} \ln(p_{ij}/q_{ij})\) zera, não importando o valor de \(q_{ij}\). Já se minimizássemos \(\mathrm{KL}(Q \parallel P) = \sum q_{ij} \ln(q_{ij}/p_{ij})\), o algoritmo sofreria custo infinito se \(q_{ij} > 0\) e \(p_{ij} = 0\), tornando-se obsessivo em afastar pontos mesmo à custa de espalhar vizinhos.
O Conflito Gaussiana-Gaussiana
O Resultado
Os aglomerados continuavam aglutinados no centro do mapa, incapazes de se desprenderem uns dos outros.
O Kernel Student-\(t\) de 1 Grau de Liberdade (Cauchy)
\[q_{ij} = \frac{(1 + \|\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j\|^2)^{-1}}{\sum_{k \ne l} (1 + \|\mathbf{y}_k - \mathbf{y}_l\|^2)^{-1}}\]
Como a Cauda Pesada Alivia a Pressão
Para produzir a mesma probabilidade baixa \(q_{ij} = p_{ij}\), a distância \(\|\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j\|\) pode ser muito maior. Os clusters não relacionados são empurrados para longe no plano, liberando espaço para que a microestrutura de cada cluster se desdobre livremente.
Equação Fundamental do Gradiente (van der Maaten & Hinton, 2008)
\[\frac{\partial C}{\partial \mathbf{y}_i} = 4 \sum_{j \ne i} \underbrace{(p_{ij} - q_{ij})}_{\text{desbalanço}} \underbrace{(1 + \|\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j\|^2)^{-1}}_{\text{amortecimento}} (\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j)\]
O Equilíbrio Físico
O mapa final estabiliza quando a atração local dos verdadeiros vizinhos cancela exatamente a pressão de repulsão do restante do conjunto.
Por Que a Student-\(t\) Alivia o Confinamento?
Se a probabilidade \(p_{ij}\) calculada no espaço de alta dimensão vale \(0{,}01\), explique por que a distância euclidiana \(\|\mathbf{y}_i - \mathbf{y}_j\|\) necessária para igualar \(q_{ij} = 0{,}01\) é muito maior sob a curva da Student-\(t\) do que sob uma curva gaussiana no mapa 2D. O que acontece com os clusters no mapa como consequência disso?
Dica para discussão: Compare a inclinação e a altura da cauda das duas funções para distâncias moderadas no gráfico anterior.
V ou F: t-SNE e o Kernel de Cauchy
Julgue V ou F — a questão só conta se acertar os 4 itens:
V ou F: Resposta
Voltando à pergunta: Como a Student-\(t\) tem cauda pesada, para atingir uma probabilidade moderada como \(0{,}01\) o valor de \(d\) pode ser consideravelmente maior do que na Gaussiana (onde a curva despenca rapidamente para zero). Isso permite que clusters diferentes fiquem afastados no mapa 2D sem sofrer penalidade na divergência KL, liberando espaço central.
O Espectro de Granularidade
1. Distâncias entre clusters NÃO medem distâncias reais
Quando \(p_{ij} \approx 0\), não há força de atração entre os grupos. A distância inter-cluster no mapa é mero artefato da repulsão no plano e da inicialização.
2. Tamanho visual NÃO reflete densidade ou variância
Como \(\sigma_i\) se adapta localmente via perplexidade, clusters densos são “inflados” e clusters esparsos são “comprimidos” no mapa.
3. t-SNE pode encontrar clusters em RUÍDO PURO
Flutuações estocásticas em amostras finitas podem ser organizadas em ilhas aparentes. Nunca conclua existência de clusters apenas olhando o t-SNE.
4. NÃO é um modelo preditivo paramétrico
Não existe função \(\mathbf{y} = f(\mathbf{x})\). Não é possível projetar um ponto novo de teste sem reotimizar todo o conjunto.
Diagnóstico de Interpretação
Um bioinformata executa o t-SNE sobre dados de expressão gênica e observa que o “Cluster A” tem um diâmetro visual de \(5\text{ cm}\) e o “Cluster B” tem um diâmetro de apenas \(1\text{ cm}\). Além disso, a distância entre os centros dos dois clusters no gráfico é de \(15\text{ cm}\).
Ele escreve em seu relatório: “O Cluster A apresenta variância genética cinco vezes maior que o Cluster B, e a grande separação espacial comprova que essas duas populações celulares são filogeneticamente muito distantes”. O que está metodologicamente incorreto nessa afirmação?
V ou F: Armadilhas do t-SNE
Julgue V ou F — a questão só conta se acertar os 4 itens:
V ou F: Resposta
Voltando à pergunta: Ambas as conclusões são falácias clássicas. A área do cluster no mapa reflete a adaptação local de \(\sigma_i\) via perplexidade (não a variância genética), e a distância de \(15\text{ cm}\) entre os clusters reflete apenas a repulsão eletrostática no plano após \(p_{ij}\) anular-se (não a distância filogenética real).
Limitações do t-SNE
O Que Vem a Seguir
UNICAMP — Instituto de Computação