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Detecção de fraude em transações de cartões de crédito utilizando modelos classificatórios de Machine Learning (KNN, Decision Tree, Random Forest e Gradient Boosting). Projeto final da disciplina Machine Learning I do curso de Ciência de Dados da Ada Tech vinculado ao programa Santander Coders 2023.

Detecção de fraude em transações de cartões de crédito utilizando modelos classificatórios de Machine Learning

Projeto - Machine Learning I

Instrutor: Carlos Stefano

Equipe: Gabriel Miranda, Marcus Thadeu, Ruann Campos e Thiago Caveglion

🎯 Objetivo geral

Prever transações fraudulentas em cartões de crédito através da construção de modelos classificatórios de machine learning (KNN, Decision Tree, Random Forest e Gradient Boosting)

📝 Objetivos específicos

No desenvolvimento de nossa análise, buscamos responder às seguintes perguntas:

• É possível prever quais das transações realizadas entre 06/2020 e 12/2020 contidas em fraudTest.csv são fraudulentas?
• Quais dos modelos classificatórios construídos apresentaram melhor performance?

📊 Sobre o data set

Os data sets fraudTrain.csv e fraudTest.csv utilizados em nossa análise apresentam informações fictícias retiradas dessa base de dados do Kaggle. É um data set simulado de transações de cartões de crédito ocorridas entre as datas de 01/01/2019 a 31/12/2020; refere-se aos cartões de 1000 clientes diferentes realizando transações a 800 comerciantes distintos. As colunas dos arquivos incluem:

• trans_date_trans_time: data e hora da transação
• cc_num: número do cartão de crédito
• merchant: nome do comerciante
• category: categoria de compra
• amt: valor da transação
• first: primeiro nome da pessoa
• last: último nome da pessoa
• gender: gênero da pessoa que realizou a transação
• dob: data de nascimento da pessoa que realizou a transação
• job: profissão da pessoa que realizou a transação
• street, state, zip: endereço da pessoa que realizou a transação
• city: cidade da pessoa que realizou a transação
• city_pop: população da cidade da pessoa que realizou a transação
• lat: latitude da pessoa que realizou a transação
• long: longitude da pessoa que realizou a transação
• merch_lat: latitude do comerciante
• merch_long: longitude do comerciante
• trans_num, unix_time: dados da transação
• is_fraud: 1 para transações fraudulentas, 0 caso contrário

💡 Principais conclusões

• De forma geral, fomos capazes de utilizar os diferentes modelos de classificação propostos (KNN, Decision Tree, Random Forest e Gradient Boosting) para a predição de fraudes dados os data sets trabalhados.

Sobre o desempenho de cada modelo:

• É possível que o KNN não seja o melhor modelo para este problema (ou que os modelos trabalhados precisem de mais ajustes).

  • O recall baixo (recall = 0.3 e recall = 0.25) representa uma preocupação. Em contextos como detecção de fraudes, devemos priorizar um recall mais alto, mesmo que isso signifique sacrificar um pouco a precisão. Falsos negativos (fraudes não detectadas) podem ter consequências mais graves do que falsos positivos.
  • A baixa precisão dos modelos sugere que ainda há espaço para melhorar a capacidade de se evitar falsos positivos.

• Decision Tree: foi possível criar um modelo com cerca de 92% de precisão e 72% de recall, totalizando um f1-score de cerca de 0.81 com uma curva ROC de 0.96 de área.

• Random Forest: com a otimização dos hiperparâmetros, o modelo atingiu uma acurácia de 0.99.

  • Sobre a classificação: baixa precisão para a classe 1, onde apenas 30% dos dados classificados como fraude realmente a são.
  • Recall com bom desempenho, onde o modelo é capaz de identificar 85% dos verdadeiros positivos.
  • F1-Score: média entre precision e recall de 0.45.

• O modelo Gradient Boosting Otimizado apresenta uma maior quantidade de acertos na classe de verdadeiros positivos (recall = 0.84).

  • No entanto, pode ser útil investigar maneiras de melhorar a precisão (precision = 0.45) sem sacrificar muito o recall, para reduzir o número de transações legítimas classificadas erroneamente como fraudulentas.

• Concluímos que, dentro dos modelos trabalhados aqui, o Decision Tree apresentou o melhor desempenho para o nosso conjunto de dados.

Pontos a serem melhorados:

• Para classificação dos dados: utilizar técnicas para lidar com a falta de balanceamento dos data sets (resampling, por exemplo).
• Utilizar as mesmas features para os diferentes modelos de forma a gerar comparações mais fidedignas.
• Adicionar outras métricas de comparação, como a própria curva ROC.

💻 Principais linguagens

• Python
  • Pandas
  • Numpy
  • Seaborn
  • Plotly
  • Matplotlib
  • Scipy
  • Sklearn
  • Imblearn
  • Lightgbm
  • Joblib

👨‍💻 Execução

Para executar os notebooks localmente, certifique-se de:

• Fazer o download dos arquivos fraudTrain.csv e fraudTest.csv neste link do Kaggle (eles são muito grandes para serem colocados neste repositório).
• Alterar o caminho nas linhas de código que lêem os data sets: df_train = pd.read_csv("caminho/fraudTrain.csv") e df_test = pd.read_csv("caminho/fraudTest.csv").

Neste repositório, você encontra 4 notebooks diferentes, cada um focado em um dos modelos (KNN, Decision Tree, Random Forest e Gradient Boosting).

Tags: python data-science random-forest credit-card knn decision-tree fraud-detection gradient-boosting