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umap-learn

Use UMAP-learn para redução de dimensionalidade não linear, embeddings 2D/3D, pré-processamento para clusterização, UMAP supervisionado ou semi-supervisionado, DensMAP, AlignedUMAP e fluxos de trabalho UMAP paramétrico.

O que é umap-learn?

Este skill permite utilizar a biblioteca UMAP-Learn para redução de dimensionalidade não linear, oferecendo embeddings rápidos e escaláveis que preservam estruturas locais e globais. É útil para visualização de dados em 2D ou 3D, pré-processamento para algoritmos de clusterização como HDBSCAN, e integração com pipelines de aprendizado de máquina. O skill suporta UMAP padrão, supervisionado e semi-supervisionado, além de versões avançadas como DensMAP, AlignedUMAP (para dados temporais ou em lote) e Parametric UMAP (baseado em TensorFlow/Keras para transformação eficiente de novos dados). A implementação segue as convenções do scikit-learn, permitindo uso direto como substituto para t-SNE ou PCA, com parâmetros ajustáveis como n_neighbors, min_dist, n_components e metric para controlar o comportamento do embedding.

Funciona com~Claude Code~Codex CLI~Cursor
npx skills add https://github.com/K-Dense-AI/scientific-agent-skills/tree/main/skills/umap-learn

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Documentação

O que umap-learn faz?

Visão Geral

UMAP (Aproximação e Projeção de Variedades Uniformes) é uma técnica de redução de dimensionalidade para visualização e redução de dimensionalidade não linear em geral. Use este skill para embeddings rápidos e escaláveis que preservam a estrutura local e global, aprendizado supervisionado e pré-processamento para clusterização.

Início Rápido

Instalação

Versão estável atual: umap-learn 0.5.12 (lançada em abril de 2026). Requer Python 3.9+ e depende de scikit-learn>=1.6, numba, pynndescent, numpy e scipy. Fixe em uma versão verificada:

uv pip install umap-learn==0.5.12

Uso Básico

O UMAP segue as convenções do scikit-learn e pode ser usado como substituto direto para t-SNE ou PCA.

import umap
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# Preparar dados (padronização é essencial)
dados_escalados = StandardScaler().fit_transform(dados)

# Método 1: Etapa única (ajustar e transformar)
embedding = umap.UMAP().fit_transform(dados_escalados)

# Método 2: Etapas separadas (para reutilizar modelo treinado)
redutor = umap.UMAP(random_state=42)
redutor.fit(dados_escalados)
embedding = redutor.embedding_  # Acessar o embedding treinado

Requisito de pré-processamento: Adeque o pré-processamento à métrica. Para métricas numéricas do tipo euclidiano, escale os recursos antes do ajuste para que colunas de alta variância não dominem. Para fluxos de trabalho com cosseno, binário, distância pré-computada ou recursos mistos, escolha um pré-processamento que corresponda à métrica em vez de padronizar cegamente cada coluna.

Fluxo de Trabalho Típico

import umap
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 1. Pré-processar dados
scaler = StandardScaler()
dados_escalados = scaler.fit_transform(dados_brutos)

# 2. Criar e ajustar UMAP
redutor = umap.UMAP(
    n_neighbors=15,
    min_dist=0.1,
    n_components=2,
    metric='euclidean',
    random_state=42
)
embedding = redutor.fit_transform(dados_escalados)

# 3. Visualizar
plt.scatter(embedding[:, 0], embedding[:, 1], c=rotulos, cmap='Spectral', s=5)
plt.colorbar()
plt.title('Embedding UMAP')
plt.show()

Guia de Ajuste de Parâmetros

O UMAP possui quatro parâmetros principais que controlam o comportamento do embedding. Compreendê-los é crucial para um uso eficaz.

n_neighbors (padrão: 15)

Finalidade: Equilibra a estrutura local versus global no embedding.

Como funciona: Controla o tamanho da vizinhança local que o UMAP examina ao aprender a estrutura da variedade.

Efeitos por valor:

  • Valores baixos (2-5): Enfatiza detalhes locais finos, mas pode fragmentar os dados em componentes desconectados
  • Valores médios (15-20): Visão equilibrada da estrutura local e relações globais (ponto de partida recomendado)
  • Valores altos (50-200): Prioriza a estrutura topológica ampla em detrimento de detalhes finos

Recomendação: Comece com 15 e ajuste com base nos resultados. Aumente para mais estrutura global, diminua para mais detalhes locais.

min_dist (padrão: 0.1)

Finalidade: Controla o quão próximos os pontos se agrupam no espaço de baixa dimensionalidade.

Como funciona: Define a distância mínima que os pontos podem ter na representação de saída.

Efeitos por valor:

  • Valores baixos (0.0-0.1): Cria embeddings agrupados úteis para clusterização; revela detalhes topológicos finos
  • Valores altos (0.5-0.99): Evita agrupamento apertado; enfatiza a preservação topológica ampla em vez da estrutura local

Recomendação: Use 0.0 para aplicações de clusterização, 0.1-0.3 para visualização, 0.5+ para estrutura solta.

n_components (padrão: 2)

Finalidade: Determina a dimensionalidade do espaço de saída do embedding.

Característica chave: Ao contrário do t-SNE, o UMAP escala bem na dimensão do embedding, permitindo uso além da visualização.

Usos comuns:

  • 2-3 dimensões: Visualização
  • 5-10 dimensões: Pré-processamento para clusterização (preserva melhor a densidade do que 2D)
  • 10-50 dimensões: Engenharia de recursos para modelos de ML downstream

Recomendação: Use 2 para visualização, 5-10 para clusterização, valores mais altos para pipelines de ML.

metric (padrão: 'euclidean')

Finalidade: Especifica como a distância é calculada entre pontos de dados de entrada.

Métricas suportadas:

  • Variantes de Minkowski: euclidean, manhattan, chebyshev
  • Métricas espaciais: canberra, braycurtis, haversine
  • Métricas de correlação: cosine, correlation (boa para embeddings de texto/documento)
  • Métricas para dados binários: hamming, jaccard, dice, russellrao, kulsinski, rogerstanimoto, sokalmichener, sokalsneath, yule
  • Métricas personalizadas: Funções de distância definidas pelo usuário via Numba

Recomendação: Use euclidean para dados numéricos, cosine para vetores de texto/documento, hamming para dados binários.

Exemplo de Ajuste de Parâmetros

# Para visualização com ênfase na estrutura local
umap.UMAP(n_neighbors=15, min_dist=0.1, n_components=2, metric='euclidean')

# Para pré-processamento de clusterização
umap.UMAP(n_neighbors=30, min_dist=0.0, n_components=10, metric='euclidean')

# Para embeddings de documentos
umap.UMAP(n_neighbors=15, min_dist=0.1, n_components=2, metric='cosine')

# Para preservar estrutura global
umap.UMAP(n_neighbors=100, min_dist=0.5, n_components=2, metric='euclidean')

Redução de Dimensionalidade Supervisionada e Semi-Supervisionada

O UMAP suporta a incorporação de informações de rótulos para guiar o processo de embedding, permitindo a separação de classes enquanto preserva a estrutura interna.

UMAP Supervisionado

Passe os rótulos alvo através do parâmetro y ao ajustar:

# Redução de dimensionalidade supervisionada
embedding = umap.UMAP().fit_transform(dados, y=rotulos)

Benefícios chave:

  • Alcança classes claramente separadas
  • Preserva a estrutura interna dentro de cada classe
  • Mantém relações globais entre classes

UMAP Semi-Supervisionado

Para rótulos parciais, marque pontos não rotulados com -1 seguindo a convenção do scikit-learn:

# Criar rótulos semi-supervisionados
rotulos_semi = rotulos.copy()
rotulos_semi[indices_nao_rotulados] = -1

# Ajustar com rótulos parciais
embedding = umap.UMAP().fit_transform(dados, y=rotulos_semi)

Quando usar: Quando a rotulagem é cara ou você tem mais dados do que rótulos disponíveis.

UMAP para Clusterização

O UMAP serve como pré-processamento eficaz para algoritmos de clusterização baseados em densidade, como HDBSCAN, superando a maldição da dimensionalidade.

Melhores Práticas para Clusterização

Princípio chave: Configure o UMAP de forma diferente para clusterização do que para visualização.

Parâmetros recomendados:

  • n_neighbors: Aumente para ~30 (o padrão 15 é muito local e pode criar agrupamentos finos artificiais)
  • min_dist: Defina como 0.0 (agrupa pontos densamente dentro dos clusters para limites mais claros)
  • n_components: Use 5-10 dimensões (mantém o desempenho enquanto melhora a preservação da densidade em relação a 2D)

Fluxo de Trabalho de Clusterização

Instale o HDBSCAN separadamente para clusterização baseada em densidade:

uv pip install hdbscan
import umap
import hdbscan
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 1. Pré-processar dados
dados_escalados = StandardScaler().fit_transform(dados)

# 2. UMAP com parâmetros otimizados para clusterização
redutor = umap.UMAP(
    n_neighbors=30,
    min_dist=0.0,
    n_components=10,  # Maior que 2 para melhor preservação de densidade
    metric='euclidean',
    random_state=42
)
embedding = redutor.fit_transform(dados_escalados)

# 3. Aplicar clusterização HDBSCAN
clusterizador = hdbscan.HDBSCAN(
    min_cluster_size=15,
    min_samples=5,
    metric='euclidean'
)
rotulos = clusterizador.fit_predict(embedding)

# 4. Avaliar
from sklearn.metrics import adjusted_rand_score
pontuacao = adjusted_rand_score(rotulos_verdadeiros, rotulos)
print(f"Pontuação Rand Ajustada: {pontuacao:.3f}")
print(f"Número de clusters: {len(set(rotulos)) - (1 if -1 in rotulos else 0)}")
print(f"Pontos de ruído: {sum(rotulos == -1)}")

Visualização Após Clusterização

# Criar embedding 2D para visualização (separado da clusterização)
vis_redutor = umap.UMAP(n_neighbors=15, min_dist=0.1, n_components=2, random_state=42)
vis_embedding = vis_redutor.fit_transform(dados_escalados)

# Plotar com rótulos dos clusters
import matplotlib.pyplot as plt
plt.scatter(vis_embedding[:, 0], vis_embedding[:, 1], c=rotulos, cmap='Spectral', s=5)
plt.colorbar()
plt.title('Visualização UMAP com Clusters HDBSCAN')
plt.show()

Aviso importante: O UMAP não preserva completamente a densidade e pode criar divisões artificiais de clusters. Sempre valide e explore os clusters resultantes.

Transformando Novos Dados

O UMAP permite o pré-processamento de novos dados através do método transform(), permitindo que modelos treinados projetem dados não vistos no espaço de embedding aprendido.

Uso Básico do Transform

# Treinar nos dados de treino
trans = umap.UMAP(n_neighbors=15, random_state=42).fit(X_treino)

# Transformar dados de teste
embedding_teste = trans.transform(X_teste)

Integração com Pipelines de Aprendizado de Máquina

from sklearn.svm import SVC
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import umap

# Dividir dados
X_treino, X_teste, y_treino, y_teste = train_test_split(dados, rotulos, test_size=0.2)

# Pré-processar
scaler = StandardScaler()
X_treino_escalado = scaler.fit_transform(X_treino)
X_teste_escalado = scaler.transform(X_teste)

# Treinar UMAP
redutor = umap.UMAP(n_components=10, random_state=42)
X_treino_embed = redutor.fit_transform(X_treino_escalado)
X_teste_embed = redutor.transform(X_teste_escalado)

# Treinar classificador nos embeddings
clf = SVC()
clf.fit(X_treino_embed, y_treino)
acuracia = clf.score(X_teste_embed, y_teste)
print(f"Acurácia no teste: {acuracia:.3f}")

Considerações Importantes

Consistência dos dados: O método transform assume que a distribuição geral no espaço de alta dimensionalidade é consistente entre os dados de treino e teste. Quando essa suposição falhar, considere usar Parametric UMAP.

Desempenho: As operações de transform são eficientes (tipicamente <1 segundo), embora as chamadas iniciais possam ser mais lentas devido à compilação JIT do Numba.

Compatibilidade com scikit-learn: O UMAP segue as convenções padrão do sklearn e funciona em pipelines. Lançamentos recentes 0.5.x também melhoraram o suporte a nomes de recursos e a compatibilidade com APIs de validação atuais do scikit-learn:

from sklearn.pipeline import Pipeline

pipeline = Pipeline([
    ('scaler', StandardScaler()),
    ('umap', umap.UMAP(n_components=10)),
    ('classifier', SVC())
])

pipeline.fit(X_treino, y_treino)
predicoes = pipeline.predict(X_teste)
nomes_recursos = pipeline.named_steps['umap'].get_feature_names_out()

Recursos Avançados

UMAP Paramétrico

O UMAP Paramétrico substitui a otimização direta de embedding por uma função de mapeamento de rede neural aprendida.

Principais diferenças do UMAP padrão:

  • Usa TensorFlow/Keras para treinar redes codificadoras
  • Permite transformação eficiente de novos dados
  • Suporta reconstrução através de redes decodificadoras (transformação inversa)
  • Permite arquiteturas personalizadas (CNNs para imagens, RNNs para sequências)

Instalação:

uv pip install "umap-learn[parametric-umap]==0.5.12"
# Instala o extra Parametric UMAP baseado em TensorFlow.

Uso básico:

from umap.parametric_umap import ParametricUMAP

# Arquitetura padrão (rede totalmente conectada de 3 camadas com 100 neurônios)
incorporador = ParametricUMAP()
embedding = incorporador.fit_transform(dados)

# Transformar novos dados eficientemente
novo_embedding = incorporador.transform(novos_dados)

Arquitetura personalizada:

import tensorflow as tf

# Definir codificador personalizado
codificador = tf.keras.Sequential([
    tf.keras.layers.InputLayer(shape=(dimensao_entrada,)),
    tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(2)  # Dimensão de saída
])

incorporador = ParametricUMAP(encoder=codificador, dims=(dimensao_entrada,))
embedding = incorporador.fit_transform(dados)

Persistência: Salve UMAP Paramétrico com seus métodos integrados conscientes do Keras em vez de pickle simples:

incorporador.save("modelo_umap_parametrico", exclude_raw_data=True)

from umap.parametric_umap import load_ParametricUMAP
carregado = load_ParametricUMAP("modelo_umap_parametrico")
novo_embedding = carregado.transform(novos_dados)

As correções recentes na versão 0.5.12 incluem melhorias na estabilidade do treinamento do UMAP Paramétrico e correções de gradiente de métrica; portanto, prefira a versão fixa atual para fluxos de trabalho com redes neurais.

Quando usar UMAP Paramétrico:

  • Precisa de transformação eficiente de novos dados após o treinamento
  • Requer capacidades de reconstrução (transformações inversas)
  • Deseja combinar UMAP com autoencoders
  • Trabalha com tipos de dados complexos (imagens, sequências) que se beneficiam de arquiteturas especializadas

Transformações Inversas

Transformações inversas permitem a reconstrução de dados de alta dimensionalidade a partir de embeddings de baixa dimensionalidade.

Uso básico:

redutor = umap.UMAP()
embedding = redutor.fit_transform(dados)

# Reconstruir dados de alta dimensionalidade a partir das coordenadas do embedding
reconstruido = redutor.inverse_transform(embedding)

Limitações importantes:

  • Operação computacionalmente cara
  • Funciona mal fora da envoltória convexa do embedding
  • A precisão diminui em regiões com lacunas entre clusters

Exemplo: Explorando o espaço de embedding:

import numpy as np

# Criar grade de pontos no espaço de embedding
x = np.linspace(embedding[:, 0].min(), embedding[:, 0].max(), 10)
y = np.linspace(embedding[:, 1].min(), embedding[:, 1].max(), 10)
xx, yy = np.meshgrid(x, y)
pontos_grade = np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()]

# Reconstruir amostras a partir da grade
amostras_reconstruidas = redutor.inverse_transform(pontos_grade)

AlignedUMAP

Para conjuntos de dados temporais ou relacionados que precisam de um sistema de coordenadas compartilhado (experimentos de séries temporais, lotes), use umap.AlignedUMAP().fit(conjuntos_dados, relations=relacoes), onde relacoes mapeia índices de amostra entre conjuntos consecutivos e é necessário para um alinhamento significativo. Parâmetros, métodos e um exemplo prático estão em references/api_reference.md sob "Classe AlignedUMAP" e "Exemplos de Uso".

Individual skills in this repo

This repo contains 20 individual skills — each has its own dedicated page.

adaptyv

How to use the Adaptyv Bio Foundry API and Python SDK for protein experiment design, submission, and results retrieval. Use this skill whenever the user mentions Adaptyv, Foundry API, protein binding assays, protein screening experiments, BLI/SPR assays, thermostability assays, or wants to submit protein sequences for experimental characterization. Also trigger when code imports `adaptyv`, `adaptyv_sdk`, or `FoundryClient`, or references `foundry-api-public.adaptyvbio.com`.

aeon

This skill should be used for time series machine learning tasks including classification, regression, clustering, forecasting, anomaly detection, segmentation, and similarity search. Use when working with temporal data, sequential patterns, or time-indexed observations requiring specialized algorithms beyond standard ML approaches. Particularly suited for univariate and multivariate time series analysis with scikit-learn compatible APIs.

alphagenome

Look up precomputed AlphaGenome Atlas effects for any GRCh38 single-nucleotide variant (AVI score with Phred and 18 SHAP feature attributions, plus raw and quantile scores for RNA-seq, DNase, ATAC, ChIP-TF, ChIP-histone, CAGE, PRO-cap, splicing, polyadenylation and contact-map tracks), score variants or scan windows on demand with the AlphaGenome model for human and mouse (variant scoring, in silico mutagenesis, REF-versus-ALT track prediction), and build Atlas website deep links. Use when the user mentions AlphaGenome, AlphaGenome Atlas, AVI or AlphaGenome Variant Impact, DeepMind variant effect prediction, or wants to prioritise or mechanistically interpret non-coding, regulatory, splicing, enhancer, promoter, or chromatin-accessibility effects of SNVs from a VCF, credible set, or region. Research use only; not a clinical tool.

analytical-method-validation

Plan, execute, and document validation, verification, and transfer of analytical procedures under the governing framework - ICH Q2(R2) and Q14, USP <1220>/<1225>/<1226>, ICH M10 bioanalytical, CLSI EP, or ISO/IEC 17025. Use for HPLC, LC-MS/MS, GC, CE, ICP-MS, dissolution, qNMR, qPCR, NIR, and ligand binding or cell-based assays whenever the question is whether a procedure is fit for its intended purpose. Triggers include

anndata

Data structure for annotated matrices in single-cell analysis. Use when working with .h5ad files or integrating with the scverse ecosystem. This is the data format skill—for analysis workflows use scanpy; for probabilistic models use scvi-tools; for population-scale queries use cellxgene-census.

arbor

Autonomously improve a real artifact (code, training recipe, agent harness, data pipeline, prompt) against an objective and an evaluator, using Hypothesis Tree Refinement (HTR) from the Arbor paper. Use this whenever someone wants to iteratively optimize something over many experiments without overfitting — e.g.

arboreto

Infer gene regulatory networks (GRNs) from gene expression data using scalable algorithms (GRNBoost2, GENIE3). Use when analyzing transcriptomics data (bulk RNA-seq, single-cell RNA-seq) to identify transcription factor-target gene relationships and regulatory interactions. Supports distributed computation for large-scale datasets.

astropy

Core Python library for astronomy and astrophysics workflows that need Astropy APIs, including units/quantities, coordinates, FITS I/O, tables, time systems, WCS, and cosmology. Use when implementing or debugging astronomical data analysis code with Astropy.

autoskill

Observe the user

benchling-integration

Benchling Python SDK and REST API integration for registry entities, inventory, ELN entries, workflows, Benchling Apps, and Data Warehouse queries. Use when automating lab data with benchling-sdk or the v2 API.

bgpt-paper-search

Search scientific papers and retrieve structured experimental data extracted from full-text studies via the BGPT MCP server. Returns 25+ fields per paper including methods, results, sample sizes, quality scores, and conclusions. Use for literature reviews, evidence synthesis, and finding experimental details not available in abstracts alone.

bids

>

biopython

Comprehensive molecular biology toolkit. Use for sequence manipulation, file parsing (FASTA/GenBank/PDB), phylogenetics, and programmatic NCBI/PubMed access (Bio.Entrez). Best for batch processing, custom bioinformatics pipelines, BLAST automation. For quick lookups use gget; for multi-service integration use bioservices.

bioservices

Unified Python interface to 40+ bioinformatics services. Use when querying multiple databases (UniProt, KEGG, ChEMBL, Reactome) in a single workflow with consistent API. Best for cross-database analysis, ID mapping across services. For quick single-database lookups use gget; for sequence/file manipulation use biopython.

bulk-rnaseq

End-to-end bulk RNA-seq orchestrator — takes raw FASTQ reads through QC and trimming (FastQC, fastp/Trim Galore), alignment and quantification (STAR, Salmon, featureCounts), assembles a gene-level counts matrix, then hands off to differential expression (pydeseq2), pathway/GSEA enrichment (pathway-enrichment), and publication figures (scientific-visualization). Use whenever the user has bulk RNA-seq reads or quant output and wants a complete, reproducible differential-expression workflow — e.g.

cellxgene-census

Query the CZ CELLxGENE Census programmatically for versioned public single-cell and spatial transcriptomics data. Use when you need population-scale cell metadata, gene expression slices, Census summary counts, source H5AD URIs/downloads, embeddings, spatial Census data, or reference atlas comparisons across organisms, tissues, diseases, assays, and cell types. For analyzing your own local single-cell data use scanpy, anndata, or scvi-tools.

cirq

Google quantum computing framework. Use when targeting Google Quantum AI hardware, designing noise-aware circuits, or running quantum characterization experiments. Best for Google hardware, noise modeling, and low-level circuit design. For IBM hardware use qiskit; for quantum ML with autodiff use pennylane; for physics simulations use qutip.

citation-management

Comprehensive citation management for academic research. Search OpenAlex, PubMed, and Google Scholar for papers, extract accurate metadata, validate citations, and generate properly formatted BibTeX entries. This skill should be used when you need to find papers, verify citation information, convert DOIs to BibTeX, or ensure reference accuracy in scientific writing.

clinical-decision-support

Prepare and validate research-only clinical decision-support evaluation, evidence-profile, cohort, survival, biomarker/model, privacy, and governance artifacts. Use for aggregate or synthetic research documentation and traceability—not patient care or live clinical operation.

clinical-reports

Create safety-bounded draft structures and run local deterministic checks for clinical case, diagnostic, trial, safety, and aggregate research reports. Use only with synthetic, de-identified, or aggregate inputs and verified source-fact manifests; every output requires qualified review.

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