A1 — Generalização e Regularização
Atividade Avaliativa 1
Valor: 20 pontos
Liberação: 16/09/2026
Entrega: 27/09/2026
A atividade deverá ser entregue na forma de um relatório computacional reprodutível, contendo código, resultados, gráficos, tabelas e, principalmente, interpretação estatística.
1 Objetivo
Um dos principais objetivos de Machine Learning é construir modelos que apresentem bom desempenho em observações que não foram utilizadas durante seu ajuste.
Nesta atividade, você investigará empiricamente a relação entre
\[ \text{complexidade do modelo} \longrightarrow \text{erro de treinamento} \longrightarrow \text{erro de validação} \longrightarrow \text{generalização} \]
e estudará como os métodos Ridge e Lasso podem controlar a complexidade de modelos de regressão por meio da regularização.
Ao final, você deverá responder à seguinte questão:
Qual dos modelos analisados você escolheria para predizer novas observações e por quê?
2 Dados
Utilize o arquivo dados_a1.csv, disponibilizado juntamente com esta atividade.
A base contém uma variável resposta quantitativa y e 20 variáveis preditoras, x1, …, x20.
Algumas variáveis possuem informação relevante para explicar y, outras possuem efeitos mais fracos e outras podem não acrescentar informação preditiva útil. Além disso, algumas variáveis preditoras apresentam associação entre si.
3 Regras gerais
- Fixe uma semente aleatória utilizando
set.seed()para garantir a reprodutibilidade - Separe inicialmente os dados em treinamento (80%) e teste (20%)
- O conjunto de teste deverá permanecer isolado até a última parte da atividade
- Todas as decisões de modelagem deverão ser realizadas utilizando apenas o conjunto de treinamento
- Para seleção de hiperparâmetros, utilize validação cruzada com 10 folds
- Utilize o RMSE como medida principal de erro preditivo
- Quando necessário para os modelos regularizados, padronize as variáveis preditoras utilizando apenas informações do conjunto de treinamento
- Justifique as decisões tomadas. A simples apresentação do código ou de resultados numéricos não será suficiente
O conjunto de teste não poderá ser utilizado para escolher \(\lambda\), selecionar variáveis ou decidir qual configuração de um modelo será utilizada.
O teste será aberto uma única vez, ao final da análise, para avaliar a capacidade de generalização dos modelos já definidos.
4 Parte I — Estratégia de avaliação [2,0 pontos]
4.1 Questão 1
Realize a separação dos dados em treinamento e teste.
Informe o número de observações em cada conjunto e descreva o procedimento utilizado.
Explique por que o conjunto de teste deve permanecer isolado durante o processo de construção dos modelos.
Explique por que o valor de um hiperparâmetro, como \(\lambda\), deve ser escolhido utilizando os dados de treinamento e um procedimento de validação, e não o conjunto de teste.
Explique a diferença entre:
- erro de treinamento
- erro estimado por validação cruzada
- erro de teste
5 Parte II — Modelo de referência: mínimos quadrados [3,0 pontos]
5.1 Questão 2
Ajuste um modelo de regressão linear por mínimos quadrados utilizando todas as 20 variáveis preditoras:
\[ Y=\beta_0+\sum_{j=1}^{20}\beta_jX_j+\varepsilon \]
Calcule o RMSE de treinamento.
Utilizando os mesmos 10 folds definidos para a comparação dos modelos, estime o RMSE por validação cruzada.
Compare o erro de treinamento com o erro de validação cruzada. O que essa diferença informa sobre a capacidade de generalização do modelo?
Explique por que minimizar o erro de treinamento, isoladamente, não constitui uma estratégia adequada para selecionar um modelo de Machine Learning.
6 Parte III — Regressão Ridge [5,0 pontos]
Considere o estimador Ridge:
\[ \widehat{\boldsymbol{\beta}}^{Ridge} = \arg\min_{\beta_0,\boldsymbol{\beta}} \left\{ \sum_{i=1}^{n} \left( y_i-\beta_0-\sum_{j=1}^{p}\beta_jx_{ij} \right)^2 + \lambda\sum_{j=1}^{p}\beta_j^2 \right\} \]
em que \(\lambda\geq 0\) controla a intensidade da regularização.
6.1 Questão 3
Ajuste modelos Ridge considerando uma grade suficientemente ampla de valores de \(\lambda\). Apresente a grade utilizada e explique por que é importante avaliar diferentes ordens de grandeza de \(\lambda\).
Para cada valor de \(\lambda\), obtenha:
- RMSE de treinamento
- RMSE médio de validação cruzada
Construa um gráfico contendo as duas curvas em função de \(\lambda\), utilizando cores distintas.
Identifique visualmente o valor
\[ \lambda^\ast_{Ridge} \]
que minimiza o erro de validação cruzada.
Descreva e explique o comportamento do erro de treinamento à medida que \(\lambda\) aumenta.
Descreva o comportamento do erro de validação. Por que sua trajetória pode ser diferente daquela observada para o erro de treinamento?
Analise o comportamento dos coeficientes estimados à medida que \(\lambda\) aumenta.
Explique como a regularização Ridge pode melhorar a generalização mesmo que provoque aumento do erro de treinamento.
7 Parte IV — Regressão Lasso [5,0 pontos]
Considere agora
\[ \widehat{\boldsymbol{\beta}}^{Lasso} = \arg\min_{\beta_0,\boldsymbol{\beta}} \left\{ \sum_{i=1}^{n} \left( y_i-\beta_0-\sum_{j=1}^{p}\beta_jx_{ij} \right)^2 + \lambda\sum_{j=1}^{p}|\beta_j| \right\} \]
7.1 Questão 4
- Utilize validação cruzada para selecionar
\[ \lambda^\ast_{Lasso} \]
Apresente o valor selecionado e o respectivo RMSE médio de validação.
Construa um gráfico mostrando a trajetória dos coeficientes do Lasso para diferentes valores de \(\lambda\).
Identifique as variáveis com coeficientes diferentes de zero no modelo correspondente a \(\lambda^\ast_{Lasso}\).
Explique por que o Lasso pode produzir coeficientes exatamente iguais a zero.
Compare o comportamento dos coeficientes no Ridge e no Lasso.
Explique a diferença entre:
encolhimento de coeficientes
e
seleção de variáveis
8 Parte V — Avaliação final da generalização [5,0 pontos]
A partir deste ponto, os modelos e seus hiperparâmetros já devem estar completamente definidos.
Não altere \(\lambda\) ou qualquer outra decisão de modelagem com base nos resultados obtidos no teste.
8.1 Questão 5
Avalie no conjunto de teste:
- mínimos quadrados
- Ridge com \(\lambda=\lambda^\ast_{Ridge}\)
- Lasso com \(\lambda=\lambda^\ast_{Lasso}\)
- Construa uma tabela final no formato:
| Modelo | RMSE treino | RMSE validação | RMSE teste | Coeficientes ativos |
|---|---|---|---|---|
| Mínimos Quadrados | ||||
| Ridge | ||||
| Lasso |
Considere como coeficiente ativo um coeficiente associado a uma variável preditora cujo valor estimado seja diferente de zero. Não inclua o intercepto nessa contagem.
O modelo com menor erro de treinamento foi também aquele com menor erro de validação e de teste? Explique.
Existe evidência de sobreajuste em algum dos modelos? Fundamente sua resposta utilizando os resultados obtidos.
Compare Ridge e Lasso quanto a:
- desempenho preditivo
- complexidade
- seleção de variáveis
- interpretabilidade
- Imagine que o modelo será utilizado para predizer
ypara novas observações.
Escolha um único modelo para utilização futura e defenda sua decisão.
Sua justificativa não deverá se limitar a identificar o menor RMSE. Considere conjuntamente:
- capacidade de generalização
- diferença entre desempenho de treinamento, validação e teste
- estabilidade
- complexidade
- número de variáveis
- interpretabilidade
9 O que deverá ser entregue
Entregue um único relatório reprodutível, contendo:
- nome e número de matrícula
- código utilizado
- resultados numéricos
- gráficos solicitados
- tabela comparativa final
- interpretação estatística de cada resultado
- resposta à questão final de decisão
Relatórios contendo apenas código, outputs ou gráficos sem interpretação estatística terão pontuação reduzida.
10 Critérios de avaliação
| Componente | Pontuação |
|---|---|
| Estratégia de treinamento, validação e teste | 2,0 |
| Mínimos quadrados e generalização | 3,0 |
| Ridge e seleção de \(\lambda\) | 5,0 |
| Lasso e seleção de variáveis | 5,0 |
| Avaliação final e argumentação estatística | 5,0 |
| Total | 20,0 |
11 Pergunta central
Ao concluir a atividade, você deverá ser capaz de responder:
Por que o modelo que melhor se ajusta aos dados de treinamento não é necessariamente o modelo que devemos escolher para fazer predições futuras?