Aprendizaje federado por participante

Antes de tocar el código

Los teléfonos no generan muestras idénticas: cada persona se mueve de otra manera. FedAvg debe combinar aprendizajes sin centralizar esos datos.

Pregunta esencial: ¿Qué ocurre cuando cada participante observa una realidad diferente?

Haz una predicción antes de ejecutar el notebook. Al final volverás a ella y tendrás que decir qué evidencia la confirmó, la corrigió o la dejó abierta.

Mapa de esta clase: Aprender localmente y acordar globalmente. La figura no es decorativa; úsala para explicar el mecanismo con tus propias palabras.

🎯 Qué vas a aprender y construir

Aplicar FedAvg usando participantes reales como clientes naturales.

Práctica propia de esta clase: Visualizar heterogeneidad por cliente y comparar convergencia global con desempeño individual.

Es la clase 16 de 31 del programa y pertenece a 🟠 el módulo 4, Entrenar mejor, más barato y sin centralizar datos. Llegas desde Destilación de conocimiento y lo que hagas aquí lo da por supuesto Backpropagation manual.

Trabajarás con el dataset uci_har_subjects (UCI, licencia: CC BY 4.0), y tendrás que superar la línea base Entrenamiento centralizado, decidiendo con la métrica macro_f1 medida sobre validation. Nivel avanzado, unas 8 horas de dedicación.

Lo que conviene traer resuelto de las clases anteriores: PyTorch intermedio, optimización, lectura de artículos técnicos.

Al terminar deberías ser capaz de:

• Aplicar FedAvg usando participantes reales como clientes naturales.
• Preparar y auditar el dataset real uci_har_subjects sin fuga de datos.
• Entrenar y evaluar agregación federada de clientes reales.
• Comparar contra la línea base: Entrenamiento centralizado.
• Interpretar intervalos de confianza, errores y limitaciones.

Una idea que conviene desmontar

No mover los datos no garantiza privacidad; las actualizaciones también pueden revelar información.

🧠 Comprender antes de entrenar

Esta sección es la explicación completa del tema. No hace falta abrir otro archivo para entender lo que viene después: aquí está la idea, la matemática que la sostiene y sus límites. (El mismo texto vive en theory.md, que es la fuente desde la que se genera esta guía, junto con la bibliografía del final.)

De qué trata

Este laboratorio estudia agregación federada de clientes reales usando uci_har_subjects, un dataset público real procedente de UCI. El aprendizaje federado responde a una tensión práctica: los datos viven distribuidos entre muchos dispositivos o personas (aquí, cada participante del estudio de actividad humana), y por razones de privacidad, ancho de banda o regulación no se pueden centralizar en un servidor. La pregunta es cómo entrenar un modelo global sin mover los datos crudos fuera de su origen.

La respuesta que implementa el laboratorio es FedAvg (Federated Averaging). En cada ronda, el servidor envía el modelo actual a un conjunto de clientes; cada cliente entrena localmente unas cuantas épocas con sus propios datos y devuelve solo los pesos resultantes (no los datos). El servidor promedia esos pesos, ponderando por la cantidad de datos de cada cliente, y obtiene el nuevo modelo global. Se repite el ciclo. Lo que viaja por la red son parámetros, no ejemplos, lo que reduce la exposición de información sensible.

Una decisión metodológica importante es usar el identificador real de cada sujeto como cliente natural, en lugar de trocear los datos al azar. Esto preserva la heterogeneidad genuina: cada persona camina, se sienta y sube escaleras de forma ligeramente distinta, por lo que las distribuciones locales son no-IID (no idénticamente distribuidas). Esa heterogeneidad es precisamente lo que hace difícil el aprendizaje federado, y estudiarla con clientes reales es más honesto que fabricar particiones artificiales. La pregunta crítica —qué clientes quedan perjudicados por la agregación— apunta a que un promedio global puede favorecer a la mayoría y degradar a los participantes atípicos.

La matemática, paso a paso

Hay K clientes; el cliente k posee n_k ejemplos y el total es n = Σₖ n_k. Cada cliente define una pérdida local promedio sobre sus datos, F_k(w). El objetivo global es la pérdida ponderada por tamaño de dataset:

F(w) = Σₖ (n_k / n) · F_k(w)

FedAvg optimiza F(w) sin acceder a los datos crudos. En la ronda t, partiendo del modelo global w_t:

1. El servidor envía w_t a los clientes seleccionados.
2. Cada cliente hace E épocas de descenso de gradiente local, w_k ← w_k − η · ∇ F_k(w_k), partiendo de w_k = w_t, y obtiene w_k^{(t+1)}.
3. El servidor agrega por promedio ponderado:

w_{t+1} = Σₖ (n_k / n) · w_k^{(t+1)}

La ponderación n_k/n hace que un cliente con más datos influya proporcionalmente más en el modelo global, lo que equivale a tratar por igual a cada ejemplo aunque estén repartidos entre clientes. Un caso límite ilumina la fórmula: si cada cliente diera un solo paso de gradiente completo (E = 1, batch = todos sus datos), el promedio de sus actualizaciones locales coincide exactamente con un paso de gradiente sobre F(w) centralizada. Con E > 1, los clientes se alejan localmente antes de promediar; ese desvío del cliente (client drift) es mayor cuanto más no-IID son los datos, y explica por qué FedAvg puede converger más lento o de forma menos estable que el entrenamiento centralizado.

Por eso la línea base natural es el entrenamiento centralizado, y una métrica clave es la dispersión de la exactitud entre clientes (client_accuracy_std): no basta con una buena media global si algunos participantes quedan sistemáticamente mal servidos. La formulación conecta cuatro elementos: representación de entrada, función del modelo, función de pérdida local F_k y regla de actualización (SGD local + agregación con Σ). El notebook muestra las dimensiones de los tensores y conserva la misma implementación que el script de terminal.

Por qué los datos no-IID rompen el promedio

FedAvg parece inofensivo: cada cliente entrena localmente y el servidor promedia los pesos. Funciona bien cuando los clientes tienen datos parecidos, y se degrada exactamente en la medida en que no lo son. Conviene ver por qué.

Si todos los clientes tuvieran datos extraídos de la misma distribución (caso IID), el gradiente local sería un estimador insesgado del gradiente global y promediar actualizaciones sería casi equivalente a entrenar de forma centralizada. Pero en este dataset cada cliente es una persona, y las personas no son intercambiables: una realiza sobre todo actividades sedentarias, otra camina mucho, y sus etiquetas están desbalanceadas de formas distintas. Cada cliente optimiza entonces un objetivo local F_k(θ) cuyo mínimo está en un lugar distinto del mínimo global F(θ) = Σ_k (n_k/n)·F_k(θ).

La consecuencia se llama desvío del cliente: con E épocas locales, cada modelo se aleja hacia su óptimo antes de que el servidor promedie. Cuanto mayor es E, más lejos llegan y más se contradicen las direcciones al juntarlas; el modelo promediado puede quedar peor que cualquiera de los locales, y en el caso extremo el entrenamiento oscila sin converger. Ahí está el compromiso central de FedAvg, y es contraintuitivo: más cómputo local no es mejor. Aumentar E ahorra rondas de comunicación —que es el recurso caro— pero incrementa el desvío. El número de épocas locales es, por tanto, un hiperparámetro experimental, no un detalle de implementación.

El promedio, además, es ponderado por el tamaño del cliente:

θ_(t+1) = Σ_k (n_k / n) · θ_k^(t),

lo que reproduce el objetivo global correcto pero da voz proporcional al número de ejemplos. Un participante con muchos datos domina el modelo resultante, y uno con pocos apenas influye: es una decisión de diseño con consecuencias de equidad, no solo de optimización.

Qué hay que medir además del promedio

La métrica global de un modelo federado esconde justo lo que el enfoque debería vigilar. Un modelo puede alcanzar un buen promedio y funcionar muy mal para un subconjunto de participantes —típicamente aquellos cuya distribución se aleja más de la mayoritaria—, y ese fallo es invisible en la cifra agregada.

Por eso este laboratorio reporta el desempeño por participante y no solo el global. Las cifras que conviene mirar son la dispersión entre clientes, el peor cliente y la brecha entre el mejor y el peor: son la traducción operativa de «¿a quién le funciona esto?». Una mejora del promedio conseguida a costa de empeorar al peor cliente rara vez es aceptable en un despliegue real.

La comparación honesta necesita además dos referencias. Arriba, el modelo centralizado entrenado con todos los datos juntos: marca el techo, y la diferencia con él es el precio de no centralizar. Abajo, los modelos puramente locales, uno por cliente entrenado solo con sus datos: si el federado no los supera, el participante no gana nada colaborando, y la propuesta se cae. Entre esos dos límites es donde el resultado significa algo.

Lo que la federación protege y lo que no

Es importante ser preciso en esto, porque es la motivación del enfoque y también su malentendido más común. Que los datos crudos no salgan del dispositivo no equivale a privacidad. Lo que se transmite —actualizaciones de pesos o gradientes— es una función de los datos y filtra información sobre ellos: se han demostrado ataques de inferencia de pertenencia, que determinan si un ejemplo concreto estuvo en el entrenamiento, y ataques de reconstrucción que recuperan aproximaciones de las entradas a partir de los gradientes.

Las defensas existen y tienen un costo explícito. La privacidad diferencial añade ruido calibrado a las actualizaciones y ofrece una garantía formal con un presupuesto ε, a cambio de exactitud. La agregación segura impide que el servidor vea las actualizaciones individuales y solo le permite obtener la suma, a cambio de protocolo criptográfico y coordinación. Ninguna es gratis, y este laboratorio no las implementa: se limita a mostrar el mecanismo de FedAvg, y por eso su alcance debe declararse tal cual —una demostración del algoritmo, no un sistema con garantías de privacidad—.

El otro costo que conviene contabilizar es la comunicación. Cada ronda transmite el modelo completo en ambos sentidos, así que el tráfico total es del orden de 2 · |θ| · K · R bytes para K clientes y R rondas. Con modelos grandes es el cuello de botella dominante, muy por encima del cómputo, y es lo que motiva las técnicas de compresión y cuantización de actualizaciones. Reportar el número de rondas hasta alcanzar cierta exactitud es, en federado, tan relevante como reportar la exactitud misma.

La pregunta que deberías poder responder al terminar: ¿Qué clientes quedan perjudicados por la agregación?

Qué se mide y con qué se decide

La clase reporta accuracy, macro_f1, client_accuracy_std. De todas ellas, la que decide qué modelo se conserva es macro_f1, y se mide siempre sobre validation: es la única forma de que test siga siendo una estimación honesta de lo que pasará con datos nuevos.

📓 Los tres cuadernos

La clase se puede recorrer en Jupyter y trae tres cuadernos con papeles distintos. Los tres siguen el mismo camino —descargar el dataset real, auditar la partición, entrenar, sellar el experimento y evaluar test una vez—; lo que cambia es qué te toca escribir a ti:

Qué se practica en los ejercicios

Cinco de ellos cubren el contrato experimental común: auditar la partición, decidir con validation, compararse con la línea base, sellar antes de abrir test y dejar el plan por escrito. Se resuelven con Python estándar —sin descargar el dataset ni entrenar—, así que se corrigen en segundos y sin GPU, y cada uno está parametrizado con los valores de este laboratorio: su métrica de selección, su línea base y su experimento propio.

Cómo abrirlos

Los cuadernos necesitan el extra notebooks, que instala Jupyter junto con el paquete:

pip install -e ".[dev,notebooks]"
jupyter lab labs/15_federated_learning/notebook.ipynb

También se abren desde VS Code —con la extensión de Jupyter— haciendo doble clic en el archivo, o desde la interfaz clásica con jupyter notebook. El primer arranque descarga el dataset real desde su proveedor, así que la primera ejecución tarda más y requiere conexión.

Si prefieres ejecutar sin abrir un cuaderno, train.py hace exactamente lo mismo desde la terminal, y la sección de comandos de arriba explica cada opción.

🖥️ Los comandos, explicados

Todo el laboratorio se maneja con una sola herramienta de terminal, neural-labs, que se instala junto con el paquete (pip install -e ".[dev,notebooks]"). Cada subcomando hace una cosa del protocolo, y por eso se pueden ejecutar por separado: preparar datos, auditar la partición, entrenar, repetir con varias semillas.

La forma general es siempre la misma:

neural-labs <subcomando> --lab <identificador> [opciones]

El script del laboratorio

labs/15_federated_learning/train.py no es un programa distinto: fija el --lab y delega en la misma herramienta, de modo que estas dos líneas hacen exactamente lo mismo.

python labs/15_federated_learning/train.py --quick
neural-labs train --lab 15_federated_learning --quick

Lo mismo desde Python

Si prefieres trabajar en un cuaderno o llamar al laboratorio desde tu propio código, la misma ejecución se lanza así. La función devuelve un objeto con el directorio de la ejecución, las métricas y el historial ya cargados:

from neural_labs.experiments import run_lab

resultado = run_lab(
    "15_federated_learning",
    quick=True,          # False para la ejecución completa
    config_name="baseline",
    split_seed=42,       # fija la partición
    training_seed=43,    # varía la inicialización
)

print(resultado.run_dir)   # dónde quedaron los archivos
print(resultado.metrics)   # el diccionario de métricas finales

Y para preparar el dataset sin entrenar —útil para inspeccionarlo antes—:

from neural_labs.datasets import prepare_dataset

datos = prepare_dataset("15_federated_learning", quick=True, seed=42)
print(datos.summary)       # tamaño de cada partición y metadatos de la fuente

🪜 Laboratorio guiado

Cada paso dice qué ocurre por dentro, por qué se hace en ese orden y cómo comprobar que salió bien. El orden no es una convención de estilo: es el que ejecuta el código, y alterarlo invalida el resultado.

Paso 1 — Traer el dataset real y partirlo

Qué ocurre. Descarga uci_har_subjects desde su proveedor y construye las tres particiones —train, validation y test— con la semilla de partición que le pases.

Por qué. La partición se fija antes de entrenar y su semilla (--split-seed) es independiente de la del entrenamiento (--training-seed). Si ambas fueran la misma, no podrías distinguir si un cambio en el resultado viene de haber repartido los datos de otro modo o de haber inicializado los pesos de otro modo.

neural-labs dataset --lab 15_federated_learning --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. El comando termina sin error y deja el dataset en caché. Si no hay red, falla: no se rellena con datos inventados (data/dataset.yaml declara fallback_to_generated_data: false).

Paso 2 — Comprobar que las particiones no se tocan

Qué ocurre. Recorre los identificadores de las tres particiones y verifica que ninguno aparece en dos de ellas.

Por qué. Una sola fila compartida entre train y test basta para que la métrica final quede inflada. Es el error más caro del oficio porque no produce ningún síntoma visible: el modelo simplemente «parece» mejor de lo que es.

neural-labs audit --lab 15_federated_learning --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. La auditoría reporta cero solapamientos. Si reporta alguno, no sigas: el resto del laboratorio no significaría nada.

Paso 3 — Mirar los datos antes de modelarlos

Qué ocurre. Genera el informe de calidad (valores faltantes, balance de clases, rangos) y el de deriva entre particiones.

Por qué. Un desbalance fuerte o una diferencia de distribución entre train y test cambia qué métrica tiene sentido leer. Descubrirlo después de entrenar obliga a repetirlo todo.

neural-labs quality --lab 15_federated_learning --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. Obtienes data_quality.json y drift_report.json; ábrelos antes de decidir la configuración.

Paso 4 — Estudiar la teoría del laboratorio

Qué ocurre. Leer theory.md: la idea central, el desarrollo matemático, los riesgos de interpretación y la bibliografía de la que sale todo eso.

Por qué. Sin esto, el entrenamiento es una caja que devuelve números. La teoría es lo que te permite decidir qué mirar y reconocer cuándo un resultado es sospechoso.

Cómo sabes que salió bien. Puedes responder, con tus palabras, qué calcula el modelo y por qué esa arquitectura encaja con la tarea multiclass_classification.

Paso 5 — Entrenar y seleccionar con validation

Qué ocurre. El entrenamiento recorre las épocas midiendo en validation después de cada una, y conserva el checkpoint con el mejor valor de macro_f1.

Por qué. El conjunto de validación existe para tomar decisiones —arquitectura, hiperparámetros, cuándo parar—. Si esas decisiones se tomaran mirando test, test dejaría de ser una estimación de lo que pasará con datos nuevos y pasaría a ser parte del entrenamiento.

python labs/15_federated_learning/train.py --quick
# o, con control explícito de las dos semillas:
neural-labs train --lab 15_federated_learning --config baseline --split-seed 42 --training-seed 43

Cómo sabes que salió bien. En runs/15_federated_learning/<ejecución>/ aparecen history.csv y best_model.pt; la métrica de validación mejora respecto de la primera época.

Paso 6 — Compararte con la línea base

Qué ocurre. El repositorio entrena por su cuenta Entrenamiento centralizado y guarda su resultado, primero sobre validation y —solo al final— sobre test.

Por qué. Una métrica sola no dice si el modelo aporta algo. Puede que un método mucho más simple llegue igual de lejos, y entonces la complejidad añadida no está justificada. Esta comparación es la que convierte un número en un argumento.

Cómo sabes que salió bien. Comparas metrics.json con baseline_metrics.json. Si tu modelo no supera la línea base, el resultado del laboratorio es exactamente ese, y hay que reportarlo.

Paso 7 — El sellado: experiment.lock.json

Qué ocurre. Antes de tocar test, el código escribe un archivo que fija el laboratorio, las dos semillas, la configuración, la métrica de selección, el checkpoint elegido y el hash del dataset.

Por qué. Es la frontera del experimento. A partir de ahí, cualquier ajuste que hagas mirando test queda a la vista: el sello dice qué habías decidido antes de ver el resultado final. Sin ese archivo, nadie —incluido tú dentro de un mes— puede distinguir una predicción de una racionalización.

Cómo sabes que salió bien. El archivo existe y su contenido coincide con lo que creías haber ejecutado.

Paso 8 — Evaluar test una sola vez y medir la incertidumbre

Qué ocurre. Con el checkpoint congelado se evalúa test, se calculan intervalos de confianza por bootstrap y se desglosan las métricas por subgrupo.

Por qué. Un número puntual esconde cuánto podría moverse. Los intervalos dicen si la diferencia con la línea base es real o cabe dentro del ruido; el desglose por subgrupo revela si el promedio está tapando un grupo donde el modelo funciona mucho peor.

Cómo sabes que salió bien. Tienes metrics.json, confidence_intervals.json y subgroup_metrics.json, y puedes decir la magnitud de la mejora y su incertidumbre.

Paso 9 — Repetir con varias semillas de entrenamiento

Qué ocurre. Se repite el entrenamiento manteniendo fija la partición y cambiando solo la semilla de entrenamiento.

Por qué. Dos ejecuciones idénticas salvo por la inicialización pueden diferir bastante. Si no mides esa dispersión, corres el riesgo de celebrar una mejora que era una semilla afortunada.

neural-labs benchmark --lab 15_federated_learning --quick --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

Cómo sabes que salió bien. Obtienes media y dispersión entre semillas, no un único número.

Paso 10 — Documentar y cerrar

Qué ocurre. Cada ejecución deja model_card.md y report.md; el plan de experimentos vive en experiments.md y la rúbrica en assessment.md.

Por qué. Un resultado sin su contexto —qué datos, qué decisiones, qué límites— no es reutilizable. La model card es lo que permite que otra persona sepa cuándo no debería usar tu modelo.

Cómo sabes que salió bien. Completaste la tabla multi-semilla de experiments.md y respondiste las preguntas de assessment.md.

🔍 Cómo leer lo que produce la ejecución

Cada ejecución escribe su propio directorio con nombre único, de modo que dos corridas nunca se pisan. Esto es lo que encontrarás dentro:

⚠️ Dónde suele perderse la gente

• --quick no es una versión pequeña del resultado, es una prueba de que todo corre. En esta ruta recorta a 1024 ejemplos de entrenamiento · 256 de validación · 256 de test · 2 épocas. Sirve para comprobar la instalación y la descarga; cualquier conclusión sobre el modelo exige la ejecución completa.
• Cambiar algo después de ver test invalida la comparación. Si al mirar el resultado final se te ocurre una mejora, la ruta correcta es volver a validation, decidir allí, y sellar de nuevo.
• Las dos semillas no son intercambiables. --split-seed cambia qué datos caen en cada partición; --training-seed cambia cómo se inicializa y baraja el entrenamiento. Para comparar modelos se fija la primera y se varía la segunda.
• Límite declarado de este dataset. No crea clientes espaciales artificiales; conserva identificadores reales de sujetos.

Riesgos al interpretar los resultados

No crea clientes espaciales artificiales; conserva identificadores reales de sujetos.

El dataset refleja su proceso de recolección y no representa automáticamente otros períodos, países o poblaciones. Una asociación predictiva no demuestra causalidad.

✅ Antes de darlo por terminado

La clase está aprobada cuando se cumplen estos criterios:

• [ ] cero solapamiento entre train, validation y test
• [ ] selección basada únicamente en validation
• [ ] métricas finales acompañadas por incertidumbre
• [ ] conclusiones que distinguen evidencia de suposición

Y cuando tienes estos entregables:

• [ ] notebook ejecutado
• [ ] reporte experimental
• [ ] model card
• [ ] comparación con línea base
• [ ] respuesta a preguntas críticas

El plan experimental con la tabla que hay que completar está en experiments.md, y las preguntas con su rúbrica, en assessment.md. Ambos documentos se abren desde la barra de navegación de arriba.

Para ir más lejos

• Cambia una decisión experimental y justifícala con el resultado en validation, no con la intuición.
• Analiza los errores por clase o por segmento: casi siempre se concentran en un subconjunto reconocible.
• Compara costo, precisión y latencia; el mejor modelo no siempre es el que gana por décimas.
• Documenta sesgos, limitaciones y usos para los que no recomendarías este modelo.

📚 Fuentes

La teoría de arriba no es original de este repositorio: se apoya en la literatura de referencia del área y en los papers originales de cada arquitectura. Estas son las obras concretas, y lo que aporta cada una:

Las referencias apuntan a las obras; no se reproduce su contenido, la redacción es original.

• Kairouz et al. (2021), Advances and Open Problems in Federated Learning, Foundations and Trends in Machine Learning — monografía de referencia sobre el marco federado, datos no-IID, privacidad y problemas abiertos.
• McMahan et al. (2017), Communication-Efficient Learning of Deep Networks from Decentralized Data (FedAvg), AISTATS — artículo que introduce el algoritmo FedAvg implementado en este laboratorio.
• Fuente del dataset: https://archive.ics.uci.edu/dataset/240/human+activity+recognition+using+smartphones — Human Activity Recognition Using Smartphones (UCI Machine Learning Repository, CC BY 4.0); procedencia, versión y SHA-256 en el registro de fuentes, entrada uci-human-activity-recognition-smartphones — esta clase la usa para aplicar FedAvg tomando a los participantes reales del estudio como clientes naturales, sin inventar particiones.
• Consulte docs/experiment-protocol.md, docs/reproducibility.md y docs/ethics-and-licenses.md.

Los archivos de este laboratorio

Todo lo que necesitas está en esta carpeta. Cada enlace abre el archivo directamente:

Y fuera de la carpeta, tres referencias que esta guía usa: el catálogo configs/labs.yaml —de donde salen el objetivo, la línea base y las métricas—, el código src/neural_labs/experiments.py —que define el orden de los pasos y los archivos que escribe cada ejecución— y docs/experiment-protocol.md, con la regla general del protocolo.

Los datasets se descargan de su proveedor original y conservan su licencia; este repositorio no los redistribuye ni sustituye una descarga fallida por datos generados.

🔬 Experimentos

Plan de experimentos — Aprendizaje federado por participante

Qué significa «experimentar» aquí

Entrenar un modelo y mirar el número que sale no es un experimento: es una observación. Un experimento empieza por una afirmación que podría resultar falsa, sigue fijando todo lo que no se está poniendo a prueba, y termina midiendo si la afirmación se sostiene cuando se repite.

La diferencia importa porque el entrenamiento de una red tiene azar por dentro: la inicialización de los pesos y el orden en que se barajan los lotes cambian el resultado aunque no cambies nada más. Si comparas una sola corrida contra otra sola corrida, no sabes si la diferencia viene de tu idea o de la semilla. Por eso todo lo que sigue está organizado para separar la señal (el efecto de lo que cambiaste) del ruido (la variabilidad propia del entrenamiento).

La hipótesis de este laboratorio

Aplicar FedAvg usando participantes reales como clientes naturales.

Formulada como algo que se puede refutar: el modelo de este laboratorio supera a Entrenamiento centralizado en macro_f1, y la diferencia es mayor que la dispersión entre semillas.

Qué la haría falsa —y esto también es un resultado que hay que reportar—:

• El modelo no supera a Entrenamiento centralizado.
• Lo supera, pero por menos de lo que varía el propio modelo al cambiar la semilla de entrenamiento.
• Lo supera solo con una semilla concreta y no con las demás.
• Lo supera a costa de un tiempo o un tamaño que el problema no justifica.

El experimento propio de esta clase

Además de la comparación con la línea base, aquí interesa una pregunta específica: Medir rendimiento global y por participante. Es la comparación que da sentido al tema de este laboratorio; la de la línea base solo dice si el modelo sirve, mientras que esta dice qué parte del diseño es la que aporta.

Qué se varía y qué se mantiene fijo

Un experimento es interpretable cuando cambia una cosa a la vez. Esta tabla dice qué papel juega cada elemento y, sobre todo, por qué:

Las dos configuraciones que vas a comparar

El laboratorio trae dos configuraciones ya escritas. Estos son los parámetros en los que difieren —el resto es idéntico, que es justamente lo que hace legible la comparación—:

Elegir entre ellas es una decisión de validation. Si improved gana en validación, se queda; si no, la configuración base es la respuesta y hay que decirlo así.

Cómo ejecutar la serie

El comando benchmark hace exactamente esto: repite el entrenamiento manteniendo la partición fija y cambiando solo la semilla de entrenamiento.

neural-labs benchmark --lab 15_federated_learning \
  --config baseline --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

neural-labs benchmark --lab 15_federated_learning \
  --config improved --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

Por dentro, benchmark no hace magia: llama a run_lab una vez por semilla con la misma partición y resume los resultados. Desde Python es literalmente eso:

from neural_labs.experiments import run_lab
from neural_labs.benchmarking import summarize_benchmark

registros = []
for semilla in (41, 42, 43):
    resultado = run_lab(
        "15_federated_learning",
        config_name="baseline",
        split_seed=42,          # la partición NO cambia
        training_seed=semilla,  # solo cambia la inicialización
    )
    registros.append({"training_seed": semilla, "metrics": resultado.metrics})

print(summarize_benchmark(registros))   # media y dispersión entre semillas

Empieza con --quick para comprobar que la serie corre entera; los números que se reportan salen de la ejecución completa.

La tabla que debes completar

De dónde sale cada columna, para que no haya que adivinarlo:

• Métrica en validation: el mejor valor de macro_f1 durante el entrenamiento; está en history.csv y resumido en metrics.json.
• Métrica en test: el valor final, en metrics.json, ya con el modelo congelado.
• Tiempo: wall_time_seconds de metrics.json.
• Parámetros: parameters de metrics.json; es la medida honesta del tamaño del modelo.
• Observación: lo que viste y los números no dicen —una curva que se dispara, una clase que concentra los errores, una corrida que no convergió—.

Cómo decidir con esos números

1. Compara medias, pero decide con la dispersión. Calcula media y desviación entre las tres semillas de cada variante. Una mejora de 0,3 puntos entre variantes cuya dispersión interna es de 1,2 puntos no es una mejora: es ruido con buena suerte.
2. Si los rangos se solapan, dilo. «No se observó una diferencia distinguible del ruido con tres semillas» es una conclusión legítima y mucho más útil que un número inventado de confianza.
3. Decide con validation. La columna de test sirve para reportar el resultado final una vez, no para elegir la variante ganadora.
4. El costo forma parte del resultado. Si improved gana por poco y cuesta el triple de tiempo, la conclusión honesta menciona ambas cosas.
5. Vuelve a la línea base. La comparación contra Entrenamiento centralizado es la que dice si todo el aparato de la red neuronal estaba justificado para este problema.

Qué debe decir tu conclusión

Una conclusión completa contiene cinco cosas, y se puede escribir en un párrafo:

• Magnitud: cuánto mejoró, en qué métrica y sobre qué conjunto.
• Incertidumbre: cuánto varió entre semillas, y si la mejora sobrevive a esa variación.
• Costo: tiempo, memoria o tamaño adicional que hubo que pagar.
• Errores: dónde falla el modelo, no solo cuánto acierta.
• Condiciones: en qué circunstancias no esperarías que este resultado se repitiera.

Errores de diseño que invalidan el experimento

• Cambiar dos cosas a la vez. Si tocas la arquitectura y la tasa de aprendizaje en la misma corrida, el resultado no atribuye el efecto a ninguna de las dos.
• Comparar con particiones distintas. Es el error más frecuente y el más difícil de detectar después: parece una mejora del modelo y es un reparto distinto de los datos.
• Quedarse con la mejor semilla. Elegir la corrida más favorable y reportar solo esa es seleccionar el ruido. Se reportan todas.
• Ajustar mirando test. En cuanto una decisión se toma con el resultado de test, ese conjunto deja de estimar el rendimiento con datos nuevos.
• No registrar el entorno. Sin versiones ni hardware, una diferencia de tiempo o de resultado se vuelve inexplicable meses después.

📝 Evaluación

Evaluación — Aprendizaje federado por participante

Cómo se evalúa esta clase

No se evalúa el número final. Un modelo con una métrica alta obtenida mirando test, o sin compararse con nada, vale menos que uno modesto cuyo resultado se puede auditar. Lo que se califica es el proceso: si las particiones están limpias, si la decisión se tomó donde debía, si la conclusión distingue lo que se midió de lo que se supone.

Evidencias que debes entregar

Las preguntas, y qué se busca en tu respuesta

No se corrige la longitud de la respuesta, sino si demuestra comprensión. Debajo de cada pregunta está lo que una buena respuesta debería contener.

1. ¿Qué ocurre cuando cada participante observa una realidad diferente?

Qué se busca: Comienza con la predicción que hiciste al abrir la clase y contrástala con una gráfica, una medida o una observación concreta de tu ejecución.

2. Explica con tus palabras: w_{t+1}=Σ_k(n_k/n)w_k.

Qué se busca: Una buena respuesta conecta cuatro cosas —cómo se representa la entrada, qué calcula el modelo, qué mide la función de pérdida y cómo se actualizan los pesos— en vez de repetir la definición del libro. Si puedes explicarlo sin la fórmula delante, lo entendiste.

3. ¿Qué información del dataset solo puede usarse durante el entrenamiento?

Qué se busca: Se espera que nombres casos concretos: las estadísticas de normalización, el vocabulario, la selección de variables, los umbrales. Todo eso se ajusta solo con train; calcularlo sobre el conjunto completo es una fuga silenciosa que infla el resultado sin dar ningún aviso.

4. ¿Por qué Entrenamiento centralizado es una comparación razonable para este problema?

Qué se busca: Una buena respuesta explica qué captura la línea base y qué no, y por qué superarla —o no superarla— es informativo aquí. Si la línea base ya resuelve el problema, la conclusión correcta es que la red no estaba justificada.

5. ¿Qué clientes quedan perjudicados por la agregación?

Qué se busca: Esta es la pregunta propia del tema. Responde con evidencia de tu ejecución —predicciones, matriz de confusión, curvas, artefactos del directorio de la corrida—, no con una impresión general.

6. ¿Qué aprendiste al realizar esta práctica: Visualizar heterogeneidad por cliente y comparar convergencia global con desempeño individual.?

Qué se busca: No basta con relatar los pasos. Explica qué cambió, por qué cambió y qué resultado te haría rechazar tu interpretación inicial.

7. Refuta con evidencia esta idea frecuente: «No mover los datos no garantiza privacidad; las actualizaciones también pueden revelar información.»

Qué se busca: Se busca una refutación situada en esta materia, apoyada en el mecanismo estudiado y en los resultados obtenidos, no una negación genérica.

8. ¿Qué te dice macro_f1 que no te dirían las otras métricas?

Qué se busca: Cada métrica pondera distinto los errores. Se espera que expliques por qué esa es la que decide aquí y en qué situación sería una mala elección.

9. ¿Qué cambiarías antes de usar este modelo fuera del laboratorio?

Qué se busca: Aquí se evalúa el criterio, no la técnica: licencias y condiciones de uso de uci_har_subjects, representatividad de la población, calibración de las probabilidades, vigilancia de la deriva, desempeño por subgrupo y supervisión humana. Un «funcionaría bien» sin condiciones se corrige como respuesta incompleta.

La rúbrica, explicada

La diferencia entre adecuado y excelente casi nunca está en la métrica: está en si el trabajo permite que otra persona llegue a la misma conclusión con los artefactos que dejaste. Un resultado peor, bien medido y bien explicado, se califica por encima de uno mejor que no se puede auditar.

La aprobación exige al menos 70 % y cero errores críticos de fuga de datos. La fuga es eliminatoria por sí sola porque invalida todas las demás cifras del trabajo, por buenas que parezcan.

Autoevaluación antes de entregar

• [ ] Puedo explicar la idea central de la clase a alguien que no la cursó, sin leer el código.
• [ ] Sé qué decisión tomé en cada paso y con qué evidencia la tomé.
• [ ] Miré test una sola vez, después de que existiera experiment.lock.json.
• [ ] Mi conclusión dice magnitud, incertidumbre, costo, errores y condiciones.

• [ ] Puedo señalar al menos una limitación real de mi resultado.

• [ ] cero solapamiento entre train, validation y test

• [ ] selección basada únicamente en validation
• [ ] métricas finales acompañadas por incertidumbre
• [ ] conclusiones que distinguen evidencia de suposición

🧑‍🏫 Guía docente

Guía docente — Clase 16: Aprendizaje federado por participante

Módulo 4: Entrenamiento eficiente · Esta guía acompaña a quien facilita la clase; no es un guion que deba leerse literalmente.

La conversación que abre la clase

Los teléfonos no generan muestras idénticas: cada persona se mueve de otra manera. FedAvg debe combinar aprendizajes sin centralizar esos datos.

Plantee primero esta pregunta y permita que el grupo formule una predicción antes de mostrar código:

¿Qué ocurre cuando cada participante observa una realidad diferente?

Qué debe quedar comprendido

• Aplicar FedAvg usando participantes reales como clientes naturales.
• Preparar y auditar el dataset real uci_har_subjects sin fuga de datos.
• Entrenar y evaluar agregación federada de clientes reales.
• Comparar contra la línea base: Entrenamiento centralizado.
• Interpretar intervalos de confianza, errores y limitaciones.

Secuencia sugerida

Práctica propia de esta materia

Visualizar heterogeneidad por cliente y comparar convergencia global con desempeño individual.

La figura es un punto de entrada. Pida al estudiante que explique qué cambia entre los tres pasos y qué resultado observable invalidaría su explicación.

Dificultad conceptual que conviene provocar

Idea engañosa: No mover los datos no garantiza privacidad; las actualizaciones también pueden revelar información.

No la corrija inmediatamente. Solicite un ejemplo o contraejemplo, ejecute una comparación y recién entonces reconstruya la explicación con el grupo.

Preguntas para acompañar sin resolver

• ¿Qué observación concreta respalda esa afirmación?
• ¿Qué variable está cambiando y cuáles permanecen controladas?
• ¿La gráfica muestra el mecanismo o solamente una correlación?
• ¿En qué caso dejaría de ser válida esta conclusión?

Cierre verificable

La clase termina cuando el estudiante puede responder la pregunta esencial, interpretar su visualización y señalar al menos una limitación. Una métrica aislada no reemplaza ninguna de esas tres evidencias.