SMOTE, kependekan dari Synthetic Minority Over-sampling Technique, adalah metode augmentasi data canggih yang digunakan dalam pembelajaran mesin untuk mengatasi masalah kumpulan data yang tidak seimbang. Dalam banyak skenario dunia nyata, kumpulan data sering kali berisi distribusi kelas yang tidak seimbang, dimana satu kelas (kelas minoritas) memiliki instance yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan kelas lainnya (kelas mayoritas). Ketidakseimbangan ini dapat menyebabkan model menjadi bias dan berkinerja buruk dalam mengenali kelas minoritas, sehingga menghasilkan prediksi yang kurang optimal.
SMOTE diperkenalkan untuk mengatasi masalah ini dengan menghasilkan sampel sintetik dari kelas minoritas, sehingga menyeimbangkan distribusi kelas dan meningkatkan kemampuan model untuk belajar dari kelas minoritas. Teknik ini telah menemukan banyak penerapan di berbagai bidang, seperti diagnosis medis, deteksi penipuan, dan klasifikasi gambar, di mana kumpulan data yang tidak seimbang sering terjadi.
Sejarah asal usul SMOTE dan penyebutan pertama kali
SMOTE diusulkan oleh Nitesh V. Chawla, Kevin W. Bowyer, Lawrence O. Hall, dan W. Philip Kegelmeyer dalam makalah penting mereka berjudul “SMOTE: Synthetic Minority Over-sampling Technique” yang diterbitkan pada tahun 2002. Para penulis menyadari tantangan yang ditimbulkan oleh kumpulan data yang tidak seimbang dan mengembangkan SMOTE sebagai solusi inovatif untuk mengurangi bias yang disebabkan oleh kumpulan data tersebut.
Penelitian Chawla dkk. menunjukkan bahwa SMOTE secara signifikan meningkatkan kinerja pengklasifikasi ketika menangani data yang tidak seimbang. Sejak itu, SMOTE semakin populer dan menjadi teknik dasar dalam bidang pembelajaran mesin.
Informasi lengkap tentang SMOTE
Struktur internal SMOTE – Cara kerja SMOTE
SMOTE bekerja dengan membuat sampel sintetik untuk kelas minoritas dengan melakukan interpolasi antara instance kelas minoritas yang ada. Langkah-langkah kunci dari algoritma SMOTE adalah sebagai berikut:
- Identifikasi instance kelas minoritas dalam kumpulan data.
- Untuk setiap instance minoritas, identifikasi k tetangga terdekatnya dalam kelas minoritas.
- Pilih secara acak salah satu dari k tetangga terdekat.
- Hasilkan instance sintetik dengan mengambil kombinasi linier dari tetangga yang dipilih dan instance asli.
Algoritma SMOTE dapat diringkas dalam persamaan berikut, di mana x_i mewakili instance minoritas asli, x_n adalah tetangga yang dipilih secara acak, dan α adalah nilai acak antara 0 dan 1:
Instans Sintetis = x_i + α * (x_n – x_i)
Dengan menerapkan SMOTE secara berulang ke instance kelas minoritas, distribusi kelas diseimbangkan kembali, sehingga menghasilkan kumpulan data yang lebih representatif untuk melatih model.
Analisis fitur utama SMOTE
Fitur utama SMOTE adalah sebagai berikut:
-
Augmentasi Data: SMOTE menambah kelas minoritas dengan menghasilkan sampel sintetik, mengatasi masalah ketidakseimbangan kelas dalam kumpulan data.
-
Pengurangan Bias: Dengan meningkatkan jumlah instance kelas minoritas, SMOTE mengurangi bias dalam pengklasifikasi, sehingga meningkatkan kinerja prediktif untuk kelas minoritas.
-
Generalisasi: SMOTE dapat diterapkan ke berbagai algoritma pembelajaran mesin dan tidak terbatas pada jenis model tertentu.
-
Implementasi yang Mudah: SMOTE mudah diterapkan dan dapat diintegrasikan dengan lancar ke dalam alur pembelajaran mesin yang ada.
Jenis SMOTE
SMOTE memiliki beberapa variasi dan adaptasi untuk memenuhi berbagai jenis kumpulan data yang tidak seimbang. Beberapa jenis SMOTE yang umum digunakan antara lain:
-
SMOTE biasa: Ini adalah versi standar SMOTE seperti dijelaskan di atas, yang membuat instance sintetik di sepanjang garis yang menghubungkan instance minoritas dan tetangganya.
-
SMOTE Batas: Varian ini berfokus pada pembuatan sampel sintetik di dekat garis batas antara kelas minoritas dan mayoritas, sehingga lebih efektif untuk kumpulan data dengan kelas yang tumpang tindih.
-
ADASYN (Pengambilan Sampel Sintetis Adaptif): ADASYN meningkatkan SMOTE dengan memberikan tingkat kepentingan yang lebih tinggi pada contoh minoritas yang lebih sulit dipelajari, sehingga menghasilkan generalisasi yang lebih baik.
-
Peningkatan SMOT: SMOTEBoost menggabungkan SMOTE dengan teknik peningkatan untuk lebih meningkatkan kinerja pengklasifikasi pada kumpulan data yang tidak seimbang.
-
SMOTE Tingkat Aman: Varian ini mengurangi risiko overfitting dengan mengontrol jumlah sampel sintetis yang dihasilkan berdasarkan tingkat keamanan setiap instance.
Berikut tabel perbandingan yang merangkum perbedaan varian SMOTE tersebut:
| Varian SMOTE | Mendekati | Fokus | Kontrol yang Berlebihan |
|---|---|---|---|
| SMOTE biasa | Interpolasi linier | T/A | TIDAK |
| SMOTE Batas | Interpolasi non-linier | Dekat perbatasan kelas | TIDAK |
| ADASYN | Interpolasi tertimbang | Kasus minoritas yang sulit dipelajari | TIDAK |
| Peningkatan SMOT | Meningkatkan + SMOTE | T/A | Ya |
| SMOTE Tingkat Aman | Interpolasi linier | Berdasarkan tingkat keamanan | Ya |
Cara menggunakan SMOTE
SMOTE dapat digunakan dalam beberapa cara untuk meningkatkan performa model pembelajaran mesin pada kumpulan data yang tidak seimbang:
-
Pemrosesan awal: Terapkan SMOTE untuk menyeimbangkan distribusi kelas sebelum melatih model.
-
Teknik Ensembel: Gabungkan SMOTE dengan metode ansambel seperti Random Forest atau Gradient Boosting untuk mencapai hasil yang lebih baik.
-
Pembelajaran Satu Kelas: Gunakan SMOTE untuk menambah data satu kelas untuk tugas pembelajaran tanpa pengawasan.
Masalah dan Solusi
Meskipun SMOTE adalah alat yang ampuh untuk menangani data yang tidak seimbang, hal ini bukannya tanpa tantangan:
-
Keterlaluan: Menghasilkan terlalu banyak instance sintetis dapat menyebabkan overfitting, yang menyebabkan performa model buruk pada data yang tidak terlihat. Penggunaan SMOTE Tingkat Aman atau ADASYN dapat membantu mengendalikan overfitting.
-
Kutukan Dimensi: Efektivitas SMOTE dapat berkurang dalam ruang fitur berdimensi tinggi karena ketersebaran data. Teknik pemilihan fitur atau reduksi dimensi dapat digunakan untuk mengatasi masalah ini.
-
Amplifikasi Kebisingan: SMOTE dapat menghasilkan instance sintetik yang berisik jika data asli mengandung outlier. Teknik penghapusan outlier atau implementasi SMOTE yang dimodifikasi dapat mengurangi masalah ini.
Ciri-ciri utama dan perbandingan lain dengan istilah serupa
| Karakteristik | HALUS | ADASYN | Pengambilan Sampel Berlebihan Secara Acak |
|---|---|---|---|
| Jenis | Augmentasi Data | Augmentasi Data | Augmentasi Data |
| Sumber Sampel Sintetis | Tetangga Terdekat | Berdasarkan kesamaan | Instans Duplikasi |
| Kontrol yang Berlebihan | TIDAK | Ya | TIDAK |
| Menangani Data Bising | Ya | Ya | TIDAK |
| Kompleksitas | Rendah | Sedang | Rendah |
| Pertunjukan | Bagus | Lebih baik | Bervariasi |
Masa depan penanganan data SMOTE dan ketidakseimbangan dalam pembelajaran mesin cukup menjanjikan. Para peneliti dan praktisi terus mengembangkan dan menyempurnakan teknik yang ada, dengan tujuan untuk mengatasi tantangan yang ditimbulkan oleh kumpulan data yang tidak seimbang dengan lebih efektif. Beberapa potensi arah masa depan meliputi:
-
Ekstensi Pembelajaran Mendalam: Menjelajahi cara untuk mengintegrasikan teknik mirip SMOTE ke dalam arsitektur pembelajaran mendalam untuk menangani data yang tidak seimbang dalam tugas-tugas kompleks.
-
Integrasi AutoML: Mengintegrasikan SMOTE ke dalam alat Automated Machine Learning (AutoML) untuk mengaktifkan prapemrosesan data otomatis untuk kumpulan data yang tidak seimbang.
-
Adaptasi Khusus Domain: Menyesuaikan varian SMOTE ke domain tertentu seperti layanan kesehatan, keuangan, atau pemrosesan bahasa alami untuk meningkatkan performa model dalam aplikasi khusus.
Bagaimana server proxy dapat digunakan atau dikaitkan dengan SMOTE
Server proxy dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja dan privasi data yang digunakan di SMOTE. Beberapa kemungkinan cara server proxy dapat dikaitkan dengan SMOTE meliputi:
-
Anonimisasi Data: Server proxy dapat menganonimkan data sensitif sebelum menerapkan SMOTE, memastikan bahwa instance sintetis yang dihasilkan tidak mengungkapkan informasi pribadi.
-
Komputasi Terdistribusi: Server proxy dapat memfasilitasi komputasi terdistribusi untuk implementasi SMOTE di berbagai lokasi, memungkinkan pemrosesan kumpulan data skala besar secara efisien.
-
Pengumpulan data: Server proxy dapat digunakan untuk mengumpulkan beragam data dari berbagai sumber, sehingga berkontribusi pada pembuatan kumpulan data yang lebih representatif untuk SMOTE.
Tautan yang berhubungan
Untuk informasi selengkapnya tentang SMOTE dan teknik terkait, Anda dapat merujuk ke sumber daya berikut:
- Kertas SMOTE Asli
- ADASYN: Pendekatan Pengambilan Sampel Sintetis Adaptif untuk Pembelajaran yang Tidak Seimbang
- SMOTEBoost: Meningkatkan Prediksi Kelas Minoritas dalam Boosting
- Borderline-SMOTE: Metode Pengambilan Sampel Berlebihan Baru dalam Pembelajaran Kumpulan Data yang Tidak Seimbang
- SMOTE Tingkat Aman: Teknik Pengambilan Sampel Berlebihan Minoritas Sintetis Tingkat Aman untuk Menangani Masalah Ketidakseimbangan Kelas
Kesimpulannya, SMOTE adalah alat penting dalam kotak alat pembelajaran mesin yang mengatasi tantangan kumpulan data yang tidak seimbang. Dengan menghasilkan instance sintetik untuk kelas minoritas, SMOTE meningkatkan kinerja pengklasifikasi dan memastikan generalisasi yang lebih baik. Kemampuan beradaptasi, kemudahan implementasi, dan efektivitasnya menjadikannya teknik yang sangat diperlukan dalam berbagai aplikasi. Dengan penelitian dan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, masa depan memiliki prospek yang menarik bagi SMOTE dan perannya dalam kemajuan pembelajaran mesin.
