Кластерный анализ. Задачи кластеризации в Data Mining

Кластерный анализ это

Доброго времени суток. Вот есть у меня уважение к людям, которые являются фанатами своего дела.

Максим, мой друг, относится именно к этой категории. Постоянно работает с цифрами, анализирует их, делает соответствующие отчеты.

Вчера вместе обедали, так почти полчаса рассказывал мне про кластерный анализ – что это и в каких случаях его применения является обоснованным и целесообразным. Ну а я что?

Память у меня хорошая, поэтому все эти данные, к слову, о которых я и так знала, предоставлю вам в первозданном и максимально информативном виде.

Кластерный анализ предназначен для разбиения совокупности объектов на однородные группы (кластеры или классы). Это задача многомерной классификации данных.

Существует около 100 разных алгоритмов кластеризации, однако, наиболее часто используемые — иерархический кластерный анализ и кластеризация методом k-средних.

Где применяется кластерный анализ? В маркетинге это сегментация конкурентов и потребителей.

В менеджменте: разбиение персонала на различные по уровню мотивации группы, классификация поставщиков, выявление схожих производственных ситуаций, при которых возникает брак.

В медицине — классификация симптомов, пациентов, препаратов. В социологии — разбиение респондентов на однородные группы. По сути кластерный анализ хорошо зарекомендовал себя во всех сферах жизнедеятельности человека.

Прелесть данного метода — он работает даже тогда, когда данных мало и невыполняются требования нормальности распределений случайных величин и другие трбования классических методов статистического анализа.

Поясним суть кластерного анализа, не прибегая к строгой терминологии:
допустим, Вы провели анкетирование сотрудников и хотите определить, каким образом можно наиболее эффективно управлять персоналом.

То есть Вы хотите разделить сотрудников на группы и для каждой из них выделить наиболее эффективные рычаги управления. При этом различия между группами должны быть очевидными, а внутри группы респонденты должны быть максимально похожи.

Для решения задачи предлагается использовать иерархический кластерный анализ.

В результате мы получим дерево, глядя на которое мы должны определиться на сколько классов (кластеров) мы хотим разбить персонал.

Предположим, что мы решили разбить персонал на три группы, тогда для изучения респондентов, попавших в каждый кластер получим табличку примерно следующего содержания:

Поясним, как сформирована приведенная выше таблица. В первом столбце расположен номер кластера — группы, данные по которой отражены в строке.

Например, первый кластер на 80% составляют мужчины. 90% первого кластера попадают в возрастную категорию от 30 до 50 лет, а 12% респондентов считает, что льготы очень важны. И так далее.

Попытаемся составить портреты респондентов каждого кластера:

Первая группа — в основном мужчины зрелого возраста, занимающие руководящие позиции. Соцпакет (MED, LGOTI, TIME-своб время) их не интересует. Они предпочитают получать хорошую зарплату, а не помощь от работодателя.
Группа два наоборот отдает предпочтение соцпакету. Состоит она, в основном, из людей «в возрасте», занимающих невысокие посты. Зарплата для них безусловно важна, но есть и другие приоритеты.
Третья группа наиболее «молодая». В отличие от предыдущих двух, очевиден интерес к возможностям обучения и профессионального роста. У этой категории сотрудников есть хороший шанс в скором времени пополнить первую группу.

Таким образом, планируя кампанию по внедрению эффективных методов управления персоналом, очевидно, что в нашей ситуации можно увеличить соцпакет у второй группы в ущерб, к примеру, зарплате.

Если говорить о том, каких специалистов следует направлять на обучение, то можно однозначно рекомендовать обратить внимание на третью группу.

Источник: http://www.nickart.spb.ru/analysis/cluster.php

Особенности кластерного анализа

Кластер - это цена актива в определенный промежуток времени, на котором совершались сделки. Результирующий объём покупок и продаж указан цифрой внутри кластера.

Бар любого ТФ вмещает в себя,как правило, несколько кластеров. Это позволяет детально видеть объемы покупок, продаж и их баланс в каждом отдельном баре, по каждому ценовому уровню.

Изменение цены одного актива, неизбежно влечёт за собой цепочку ценовых движений и на других инструментах.

Внимание!

В большинстве случаев понимание трендового движения происходит уже в тот момент, когда оно бурно развивается, и вход в рынок по тренду чреват попаданием в коррекционную волну.

Для успешных сделок необходимо понимать текущую ситуацию и уметь предвидеть будущие ценовые движения. Этому можно научиться, анализируя график кластеров.

С помощью кластерного анализа можно видеть активность участников рынка внутри даже самого маленького ценового бара. Это наиболее точный и детальный анализ, так как показывает точечное распределение объёмов сделок по каждому ценовому уровню актива.

На рынке постоянно идёт противоборство интересов продавцов и покупателей. И каждое самое маленькое движение цены (тик), является тем ходом к компромиссу – ценовому уровню - который в данный момент устраивает обе стороны.

Но рынок динамичен, количество продавцов и покупателей непрерывно изменяется. Если в один момент времени на рынке доминировали продавцы, то в следующий момент, вероятнее всего, будут покупатели.

Не одинаковым оказывается и количество совершённых сделок на соседних ценовых уровнях. И всё же сначала рыночная ситуация отражается на суммарных объёмах сделок, а уж затем на цене.

Если видеть действия доминирующих участников рынка (продавцов или покупателей), то можно предсказывать и само движение цены.

Для успешного применения кластерного анализа прежде всего следует понять, что такое кластер и дельта.

Кластером называют ценовое движение, которое разбито на уровни, на которых совершались сделки с известными объёмами. Дельта показывает разницу между покупками и продажами, происходящими в каждом кластере.

Каждый кластер, или группа дельт, позволяет разобраться в том, покупатели или продавцы преобладают на рынке в данный момент времени.

Достаточно лишь подсчитать общую дельту, просуммировав продажи и покупки. Если дельта отрицательна, то рынок перепродан, на нём избыточными являются сделки на продажу. Когда же дельта положительна, то на рынке явно доминируют покупатели.

Сама дельта может принимать нормальное или критическое значение. Значение объёма дельты сверх нормального в кластере выделяют красным цветом.

Если дельта умеренна, то это характеризует флетовое состояние на рынке. При нормальном значении дельты на рынке наблюдается трендовое движение, а вот критическое значение всегда является предвестником разворота цены.

Торговля на Форекс с помощью КА

Для получения максимальной прибыли нужно уметь определить переход дельты из умеренного уровня в нормальный. Ведь в этом случае можно заметить само начало перехода от флета к трендовому движению и суметь получить наибольшую прибыль.

Более наглядным является кластерный график на нём можно увидеть значимые уровни накопления и распределения объемов, построить уровни поддержки и сопротивления. Это позволяет трейдеру найти точный вход в сделку.

Используя дельту, можно судить о преобладании на рынке продаж или покупок. Кластерный анализ позволяет наблюдать сделки и отслеживать их объёмы внутри бара любого ТФ.

Особо это важно при подходе к значимым уровням поддержки или сопротивления. Суждения по кластерам - ключ к пониманию рынка.

Источник: http://orderflowtrading.ru/analitika-rynka/obemy/klasternyy-analiz/

Области и особенности применения анализа кластеров

Термин кластерный анализ (впервые ввел Tryon, 1939) в действительности включает в себя набор различных алгоритмов классификации.

Общий вопрос, задаваемый исследователями во многих областях, состоит в том, как организовать наблюдаемые данные в наглядные структуры, т.е. развернуть таксономии.

В соответствии с современной системой, принятой в биологии, человек принадлежит к приматам, млекопитающим, амниотам, позвоночным и животным.

Заметьте, что в этой классификации, чем выше уровень агрегации, тем меньше сходства между членами в соответствующем классе.

Человек имеет больше сходства с другими приматами (т.е. с обезьянами), чем с «отдаленными» членами семейства млекопитающих (например, собаками) и т.д.

Заметим, что предыдущие рассуждения ссылаются на алгоритмы кластеризации, но ничего не упоминают о проверке статистической значимости.

Фактически, кластерный анализ является не столько обычным статистическим методом, сколько «набором» различных алгоритмов «распределения объектов по кластерам».

Существует точка зрения, что в отличие от многих других статистических процедур, методы кластерного анализа используются в большинстве случаев тогда, когда вы не имеете каких-либо априорных гипотез относительно классов, но все еще находитесь в описательной стадии исследования.

Внимание!

Следует понимать, что кластерный анализ определяет «наиболее возможно значимое решение».

Поэтому проверка статистической значимости в действительности здесь неприменима, даже в случаях, когда известны p-уровни (как, например, в методе K средних).

Техника кластеризации применяется в самых разнообразных областях. Хартиган (Hartigan, 1975) дал прекрасный обзор многих опубликованных исследований, содержащих результаты, полученные методами кластерного анализа.

Например, в области медицины кластеризация заболеваний, лечения заболеваний или симптомов заболеваний приводит к широко используемым таксономиям.

В области психиатрии правильная диагностика кластеров симптомов, таких как паранойя, шизофрения и т.д., является решающей для успешной терапии. В археологии с помощью кластерного анализа исследователи пытаются установить таксономии каменных орудий, похоронных объектов и т.д.

Известны широкие применения кластерного анализа в маркетинговых исследованиях. В общем, всякий раз, когда необходимо классифицировать «горы» информации к пригодным для дальнейшей обработки группам, кластерный анализ оказывается весьма полезным и эффективным.

Древовидная кластеризация

Приведенный в разделе Основная цель пример поясняет цель алгоритма объединения (древовидной кластеризации).

Назначение этого алгоритма состоит в объединении объектов (например, животных) в достаточно большие кластеры, используя некоторую меру сходства или расстояние между объектами. Типичным результатом такой кластеризации является иерархическое дерево.

Рассмотрим горизонтальную древовидную диаграмму. Диаграмма начинается с каждого объекта в классе (в левой части диаграммы).

Теперь представим себе, что постепенно (очень малыми шагами) вы «ослабляете» ваш критерий о том, какие объекты являются уникальными, а какие нет.

Другими словами, вы понижаете порог, относящийся к решению об объединении двух или более объектов в один кластер.

В результате, вы связываете вместе всё большее и большее число объектов и агрегируете (объединяете) все больше и больше кластеров, состоящих из все сильнее различающихся элементов.

Окончательно, на последнем шаге все объекты объединяются вместе. На этих диаграммах горизонтальные оси представляют расстояние объединения (в вертикальных древовидных диаграммах вертикальные оси представляют расстояние объединения).

Так, для каждого узла в графе (там, где формируется новый кластер) вы можете видеть величину расстояния, для которого соответствующие элементы связываются в новый единственный кластер.

Когда данные имеют ясную «структуру» в терминах кластеров объектов, сходных между собой, тогда эта структура, скорее всего, должна быть отражена в иерархическом дереве различными ветвями.

В результате успешного анализа методом объединения появляется возможность обнаружить кластеры (ветви) и интерпретировать их.

Объединение или метод древовидной кластеризации используется при формировании кластеров несходства или расстояния между объектами. Эти расстояния могут определяться в одномерном или многомерном пространстве.

Например, если вы должны кластеризовать типы еды в кафе, то можете принять во внимание количество содержащихся в ней калорий, цену, субъективную оценку вкуса и т.д.

Наиболее прямой путь вычисления расстояний между объектами в многомерном пространстве состоит в вычислении евклидовых расстояний.

Если вы имеете двух- или трёхмерное пространство, то эта мера является реальным геометрическим расстоянием между объектами в пространстве (как будто расстояния между объектами измерены рулеткой).

Однако алгоритм объединения не «заботится» о том, являются ли «предоставленные» для этого расстояния настоящими или некоторыми другими производными мерами расстояния, что более значимо для исследователя; и задачей исследователей является подобрать правильный метод для специфических применений.

Евклидово расстояние. Это, по-видимому, наиболее общий тип расстояния. Оно попросту является геометрическим расстоянием в многомерном пространстве и вычисляется следующим образом:

Заметим, что евклидово расстояние (и его квадрат) вычисляется по исходным, а не по стандартизованным данным.

Это обычный способ его вычисления, который имеет определенные преимущества (например, расстояние между двумя объектами не изменяется при введении в анализ нового объекта, который может оказаться выбросом).

Внимание!

Тем не менее, на расстояния могут сильно влиять различия между осями, по координатам которых вычисляются эти расстояния. К примеру, если одна из осей измерена в сантиметрах, а вы потом переведете ее в миллиметры (умножая значения на 10), то окончательное евклидово расстояние (или квадрат евклидова расстояния), вычисляемое по координатам, сильно изменится, и, как следствие, результаты кластерного анализа могут сильно отличаться от предыдущих.

Квадрат евклидова расстояния. Иногда может возникнуть желание возвести в квадрат стандартное евклидово расстояние, чтобы придать большие веса более отдаленным друг от друга объектам.

Это расстояние вычисляется следующим образом:

Расстояние городских кварталов (манхэттенское расстояние). Это расстояние является просто средним разностей по координатам.

В большинстве случаев эта мера расстояния приводит к таким же результатам, как и для обычного расстояния Евклида.

Однако отметим, что для этой меры влияние отдельных больших разностей (выбросов) уменьшается (так как они не возводятся в квадрат). Манхэттенское расстояние вычисляется по формуле:

Расстояние Чебышева. Это расстояние может оказаться полезным, когда желают определить два объекта как «различные», если они различаются по какой-либо одной координате (каким-либо одним измерением). Расстояние Чебышева вычисляется по формуле:

Степенное расстояние. Иногда желают прогрессивно увеличить или уменьшить вес, относящийся к размерности, для которой соответствующие объекты сильно отличаются.

Это может быть достигнуто с использованием степенного расстояния. Степенное расстояние вычисляется по формуле:

где r и p — параметры, определяемые пользователем. Несколько примеров вычислений могут показать, как «работает» эта мера.

Параметр p ответственен за постепенное взвешивание разностей по отдельным координатам, параметр r ответственен за прогрессивное взвешивание больших расстояний между объектами. Если оба параметра — r и p, равны двум, то это расстояние совпадает с расстоянием Евклида.

Процент несогласия. Эта мера используется в тех случаях, когда данные являются категориальными. Это расстояние вычисляется по формуле:

Правила объединения или связи

На первом шаге, когда каждый объект представляет собой отдельный кластер, расстояния между этими объектами определяются выбранной мерой.

Однако когда связываются вместе несколько объектов, возникает вопрос, как следует определить расстояния между кластерами?

Другими словами, необходимо правило объединения или связи для двух кластеров. Здесь имеются различные возможности: например, вы можете связать два кластера вместе, когда любые два объекта в двух кластерах ближе друг к другу, чем соответствующее расстояние связи.

Другими словами, вы используете «правило ближайшего соседа» для определения расстояния между кластерами; этот метод называется методом одиночной связи.

Это правило строит «волокнистые» кластеры, т.е. кластеры, «сцепленные вместе» только отдельными элементами, случайно оказавшимися ближе остальных друг к другу.

Как альтернативу вы можете использовать соседей в кластерах, которые находятся дальше всех остальных пар объектов друг от друга. Этот метод называется метод полной связи.

Существует также множество других методов объединения кластеров, подобных тем, что были рассмотрены.

Одиночная связь (метод ближайшего соседа). Как было описано выше, в этом методе расстояние между двумя кластерами определяется расстоянием между двумя наиболее близкими объектами (ближайшими соседями) в различных кластерах.

Это правило должно, в известном смысле, нанизывать объекты вместе для формирования кластеров, и результирующие кластеры имеют тенденцию быть представленными длинными «цепочками».

Полная связь (метод наиболее удаленных соседей). В этом методе расстояния между кластерами определяются наибольшим расстоянием между любыми двумя объектами в различных кластерах (т.е. «наиболее удаленными соседями»).

Невзвешенное попарное среднее. В этом методе расстояние между двумя различными кластерами вычисляется как среднее расстояние между всеми парами объектов в них.

Метод эффективен, когда объекты в действительности формируют различные «рощи», однако он работает одинаково хорошо и в случаях протяженных («цепочного» типа) кластеров.

Отметим, что в своей книге Снит и Сокэл (Sneath, Sokal, 1973) вводят аббревиатуру UPGMA для ссылки на этот метод, как на метод невзвешенного попарного арифметического среднего — unweighted pair-group method using arithmetic averages.

Взвешенное попарное среднее. Метод идентичен методу невзвешенного попарного среднего, за исключением того, что при вычислениях размер соответствующих кластеров (т.е. число объектов, содержащихся в них) используется в качестве весового коэффициента.

Поэтому предлагаемый метод должен быть использован (скорее даже, чем предыдущий), когда предполагаются неравные размеры кластеров.

В книге Снита и Сокэла (Sneath, Sokal, 1973) вводится аббревиатура WPGMA для ссылки на этот метод, как на метод взвешенного попарного арифметического среднего — weighted pair-group method using arithmetic averages.

Невзвешенный центроидный метод. В этом методе расстояние между двумя кластерами определяется как расстояние между их центрами тяжести.

Внимание!

Снит и Сокэл (Sneath and Sokal (1973)) используют аббревиатуру UPGMC для ссылки на этот метод, как на метод невзвешенного попарного центроидного усреднения — unweighted pair-group method using the centroid average.

Взвешенный центроидный метод (медиана). тот метод идентичен предыдущему, за исключением того, что при вычислениях используются веса для учёта разницы между размерами кластеров (т.е. числами объектов в них).

Поэтому, если имеются (или подозреваются) значительные отличия в размерах кластеров, этот метод оказывается предпочтительнее предыдущего.

Снит и Сокэл (Sneath, Sokal 1973) использовали аббревиатуру WPGMC для ссылок на него, как на метод невзвешенного попарного центроидного усреднения — weighted pair-group method using the centroid average.

Метод Варда. Этот метод отличается от всех других методов, поскольку он использует методы дисперсионного анализа для оценки расстояний между кластерами.

Метод минимизирует сумму квадратов (SS) для любых двух (гипотетических) кластеров, которые могут быть сформированы на каждом шаге.

Подробности можно найти в работе Варда (Ward, 1963). В целом метод представляется очень эффективным, однако он стремится создавать кластеры малого размера.

Ранее этот метод обсуждался в терминах «объектов», которые должны быть кластеризованы. Во всех других видах анализа интересующий исследователя вопрос обычно выражается в терминах наблюдений или переменных.

Оказывается, что кластеризация, как по наблюдениям, так и по переменным может привести к достаточно интересным результатам.

Например, представьте, что медицинский исследователь собирает данные о различных характеристиках (переменные) состояний пациентов (наблюдений), страдающих сердечными заболеваниями.

Исследователь может захотеть кластеризовать наблюдения (пациентов) для определения кластеров пациентов со сходными симптомами.

В то же самое время исследователь может захотеть кластеризовать переменные для определения кластеров переменных, которые связаны со сходным физическим состоянием.е

После этого обсуждения, относящегося к тому, кластеризовать наблюдения или переменные, можно задать вопрос, а почему бы не проводить кластеризацию в обоих направлениях?

Модуль Кластерный анализ содержит эффективную двувходовую процедуру объединения, позволяющую сделать именно это.

Однако двувходовое объединение используется (относительно редко) в обстоятельствах, когда ожидается, что и наблюдения и переменные одновременно вносят вклад в обнаружение осмысленных кластеров.

Так, возвращаясь к предыдущему примеру, можно предположить, что медицинскому исследователю требуется выделить кластеры пациентов, сходных по отношению к определенным кластерам характеристик физического состояния.

Трудность с интерпретацией полученных результатов возникает вследствие того, что сходства между различными кластерами могут происходить из (или быть причиной) некоторого различия подмножеств переменных.

Поэтому получающиеся кластеры являются по своей природе неоднородными. Возможно это кажется вначале немного туманным; в самом деле, в сравнении с другими описанными методами кластерного анализа, двувходовое объединение является, вероятно, наименее часто используемым методом.

Однако некоторые исследователи полагают, что он предлагает мощное средство разведочного анализа данных (за более подробной информацией вы можете обратиться к описанию этого метода у Хартигана (Hartigan, 1975)).

Метод K средних

Этот метод кластеризации существенно отличается от таких агломеративных методов, как Объединение (древовидная кластеризация) и Двувходовое объединение. Предположим, вы уже имеете гипотезы относительно числа кластеров (по наблюдениям или по переменным).

Вы можете указать системе образовать ровно три кластера так, чтобы они были настолько различны, насколько это возможно.

Это именно тот тип задач, которые решает алгоритм метода K средних. В общем случае метод K средних строит ровно K различных кластеров, расположенных на возможно больших расстояниях друг от друга.

В примере с физическим состоянием, медицинский исследователь может иметь «подозрение» из своего клинического опыта, что его пациенты в основном попадают в три различные категории.

Внимание!

Если это так, то средние различных мер физических параметров для каждого кластера будут давать количественный способ представления гипотез исследователя (например, пациенты в кластере 1 имеют высокий параметр 1, меньший параметр 2 и т.д.).

С вычислительной точки зрения вы можете рассматривать этот метод, как дисперсионный анализ «наоборот». Программа начинает с K случайно выбранных кластеров, а затем изменяет принадлежность объектов к ним, чтобы:

минимизировать изменчивость внутри кластеров,
максимизировать изменчивость между кластерами.

Данный способ аналогичен методу «дисперсионный анализ (ANOVA) наоборот» в том смысле, что критерий значимости в дисперсионном анализе сравнивает межгрупповую изменчивость с внутригрупповой при проверке гипотезы о том, что средние в группах отличаются друг от друга.

В кластеризации методом K средних программа перемещает объекты (т.е. наблюдения) из одних групп (кластеров) в другие для того, чтобы получить наиболее значимый результат при проведении дисперсионного анализа (ANOVA).

Обычно, когда результаты кластерного анализа методом K средних получены, можно рассчитать средние для каждого кластера по каждому измерению, чтобы оценить, насколько кластеры различаются друг от друга.

В идеале вы должны получить сильно различающиеся средние для большинства, если не для всех измерений, используемых в анализе.

Источник: http://www.biometrica.tomsk.ru/textbook/modules/stcluan.html

Классификация объектов по характеризующим их признакам

Кластерный анализ (cluster analysis) – совокупность многомерных статистических методов классификации объектов по характеризующим их признакам, разделение совокупности объектов на однородные группы, близкие по определяющим критериям, выделение объектов определенной группы.

Кластер – это группы объектов, выделенные в результате кластерного анализа на основе заданной меры сходства или различий между объектами.

Объект – это конкретные предметы исследования, которые необходимо классифицировать. Объектами при классификации выступают, как правило, наблюдения. Например, потребители продукции, страны или регионы, товары и т.п.

Хотя можно проводить кластерный анализ и по переменным. Классификация объектов в многомерном кластерном анализе происходит по нескольким признакам одновременно.

Это могут быть как количественные, так и категориальные переменные в зависимости от метода кластерного анализа. Итак, главная цель кластерного анализа – нахождение групп схожих объектов в выборке.

Совокупность многомерных статистических методов кластерного анализа можно разделить на иерархические методы (агломеративные и дивизимные) и неиерархические (метод k-средних, двухэтапный кластерный анализ).

Однако общепринятой классификации методов не существует, и к методам кластерного анализа иногда относят также методы построения деревьев решений, нейронных сетей, дискриминантного анализа, логистической регрессии.

Сфера использования кластерного анализа, из-за его универсальности, очень широка. Кластерный анализ применяют в экономике, маркетинге, археологии, медицине, психологии, химии, биологии, государственном управлении, филологии, антропологии, социологии и других областях.

Вот несколько примеров применения кластерного анализа:

медицина – классификация заболеваний, их симптомов, способов лечения, классификация групп пациентов;
маркетинг – задачи оптимизации ассортиментной линейки компании, сегментация рынка по группам товаров или потребителей, определение потенциального потребителя;
социология – разбиение респондентов на однородные группы;
психиатрия – корректная диагностика групп симптомов является решающей для успешной терапии;
биология – классификация организмов по группе;
экономика – классификация субъектов РФ по инвестиционной привлекательности.

Источник: http://www.statmethods.ru/konsalting/statistics-metody/121-klasternyj-analiz.html

Общие сведения о кластерном анализе

Кластерный анализ включает в себя набор различных алгоритмов классификации. Общий вопрос, задаваемый исследователями во многих областях, состоит в том, как организовать наблюдаемые данные в наглядные структуры.

Например, биологи ставят цель разбить животных на различные виды, чтобы содержательно описать различия между ними.

Задача кластерного анализа состоит в разбиении исходной совокупности объектов на группы схожих, близких между собой объектов. Эти группы называют кластерами.

Другими словами, кластерный анализ – это один из способов классификации объектов по их признакам. Желательно, чтобы результаты классификации имели содержательную интерпретацию.

Результаты, полученные методами кластерного анализа, применяют в самых различных областях. В маркетинге – это сегментация конкурентов и потребителей.

В психиатрии для успешной терапии является решающей правильная диагностика симптомов, таких как паранойя, шизофрения и т.д.

В менеджменте важна классификация поставщиков, выявление схожих производственных ситуаций, при которых возникает брак. В социологии – разбиение респондентов на однородные группы. В портфельном инвестировании важно сгруппировать ценные бумаги по сходству в тенденции доходности, чтобы составить на основе полученных сведений о фондовом рынке оптимального инвестиционного портфеля, позволяющего максимизировать прибыль от вложений при заданной степени риска.

В общем, всякий раз, когда необходимо классифицировать большое количество информации такого рода и представлять её в виде, пригодном для дальнейшей обработки, кластерный анализ оказывается весьма полезным и эффективным.

Кластерный анализ позволяет рассматривать достаточно большой объём информации и сильно сжимать большие массивы социально-экономической информации, делать их компактными и наглядными.

Внимание!

Большое значение кластерный анализ имеет применительно к совокупностям временных рядов, характеризующих экономическое развитие (например, общехозяйственной и товарной конъюнктуры).

Здесь можно выделять периоды, когда значения соответствующих показателей были достаточно близкими, а также определять группы временных рядов, динамика которых наиболее схожа.

В задачах социально-экономического прогнозирования весьма перспективно сочетание кластерного анализа с другими количественными методами (например, с регрессионным анализом).

Преимущества и недостатки

Кластерный анализ позволяет провести объективную классификацию любых объектов, которые охарактеризованы рядом признаков. Из этого можно извлечь ряд преимуществ:

Полученные кластеры можно интерпретировать, то есть описывать, какие же собственно группы существуют.
Отдельные кластеры можно выбраковывать. Это полезно в тех случаях, когда при наборе данных допущены определённые ошибки, в результате которых значения показателей у отдельных объектов резко отклоняются. При применении кластерного анализа такие объекты попадают в отдельный кластер.
Для дальнейшего анализа могут быть выбраны только те кластеры, которые обладают интересующими характеристиками.

Как и любой другой метод, кластерный анализ имеет определенные недостатки и ограничения. В частности, состав и количество кластеров зависит от выбираемых критериев разбиения.

При сведении исходного массива данных к более компактному виду могут возникать определённые искажения, а также могут теряться индивидуальные черты отдельных объектов за счёт замены их характеристиками обобщённых значений параметров кластера.

Методы

В настоящее время известно более сотни разных алгоритмов кластеризации. Их разнообразие объясняется не только разными вычислительными методами, но и различными концепциями, лежащими в основе кластеризации.

В пакете Statistica реализуются следующие методы кластеризации.

Иерархические алгоритмы – древовидная кластеризация. В основе иерархических алгоритмов лежит идея последовательной кластеризации. На начальном шаге каждый объект рассматривается как отдельный кластер. На следующем шаге некоторые из ближайших друг к другу кластеров будут объединяться в отдельный кластер.
Метод К-средних. Этот метод используется наиболее часто. Он относится к группе так называемых эталонных методов кластерного анализа. Число кластеров К задаётся пользователем.
Двухвходовое объединение. При использовании этого метода кластеризация проводится одновременно как по переменным (столбцам), так и по результатам наблюдений (строкам).

Процедура двухвходового объединения производится в тех случаях, когда можно ожидать, что одновременная кластеризация по переменным и наблюдениям даст возможность получить осмысленные результаты.

Результатами процедуры являются описательные статистики по переменным и наблюдениям, а также двумерная цветная диаграмма, на которой цветом отмечаются значения данных.

По распределению цвета можно составить представление об однородных группах.

Нормирование переменных

Разбиение исходной совокупности объектов на кластеры связано с вычислением расстояний между объектами и выбора объектов, расстояние между которыми наименьшее из всех возможных.

Наиболее часто используется привычное всем нам евклидово (геометрическое) расстояние. Эта метрика отвечает интуитивным представлениям о близости объектов в пространстве (как будто расстояния между объектами измерены рулеткой).

Но для данной метрики на расстояние между объектами могут сильно влиять изменения масштабов (единиц измерения). Например, если один из признаков измерен в миллиметрах, а затем его значение переведены в сантиметры, евклидово расстояние между объектами сильно изменится. Это приведет к тому, что результаты кластерного анализа могут значительно отличаться от предыдущих.

Если переменные измерены в разных единицах измерения, то требуется их предварительная нормировка, то есть преобразование исходных данных, которое переводит их в безразмерные величины.

Нормировка сильно искажает геометрию исходного пространства, что может изменить результаты кластеризации

В пакете Statistica нормировка любой переменной x выполняется по формуле:

Для этого нужно щёлкнуть правой кнопкой мыши по имени переменной и в открывшемся меню выбрать последовательность команд: Fill/ Standardize Block/ Standardize Columns. Значения нормированной переменной станут равными нулю, а дисперсии – единице.

Метод К-средних в программе Statistica

Метод K-средних (K-means) разбивает множество объектов на заданное число K различных кластеров, расположенных на возможно больших расстояниях друг от друга.

Обычно, когда результаты кластерного анализа методом K-средних получены, можно рассчитать средние для каждого кластера по каждому измерению, чтобы оценить, насколько кластеры различаются друг от друга.

В идеале вы должны получить сильно различающиеся средние для большинства измерений, используемых в анализе.

Значения F-статистики, полученные для каждого измерения, являются другим индикатором того, насколько хорошо соответствующее измерение дискриминирует кластеры.

В качестве примера рассмотрим результаты опроса 17-ти сотрудников предприятия по удовлетворённости показателями качества служебной карьеры. В таблице даны ответы на вопросы анкеты по десятибалльной шкале (1 – минимальный балл, 10 – максимальный).

Имена переменных соответствуют ответам на следующие вопросы:

СЛЦ – сочетание личных целей и целей организации;
ОСО – ощущение справедливости в оплате труда;
ТБД – территориальная близость к дому;
ОЭБ – ощущение экономического благосостояния;
КР – карьерный рост;
ЖСР – желание сменить работу;
ОСБ – ощущение социального благополучия.

Используя эти данные, необходимо разделить сотрудников на группы и для каждой из них выделить наиболее эффективные рычаги управления.

При этом различия между группами должны быть очевидными, а внутри группы респонденты должны быть максимально похожи.

На сегодняшний день большинство социологических опросов дает лишь процентное соотношение голосов: считается основное количество положительно ответивших, либо процент неудовлетворённых, но системно этот вопрос не рассматривают.

Чаще всего опрос не показывает тенденции изменения ситуации. В некоторых случаях необходимо считать не количество человек, которые «за» или «против», а расстояние, или меру сходства, то есть определять группы людей, которые думают примерно одинаково.

Для выявления на основе данных опроса некоторых реально существующих взаимосвязей признаков и порождения на этой основе их типологии можно использовать процедуры кластерного анализа.

Внимание!

Наличие каких-либо априорных гипотез социолога при работе процедур кластерного анализа не является необходимым условием.

В программе Statistica кластерный анализ выполняется следующим образом.

При выборе количества кластеров руководствуйтесь следующим: количество кластеров, по возможности, не должно быть слишком большим.

Расстояние, на котором объединялись объекты данного кластера, должно быть, по возможности, гораздо меньше расстояния, на котором к этому кластеру присоединяется ещё что-либо.

При выборе количества кластеров чаще всего есть одновременно несколько правильных решений.

Нас интересует, например, как соотносятся ответы на вопросы анкеты у рядовых сотрудников и руководства предприятия. Поэтому выбираем K=2. Для дальнейшей сегментации можно увеличивать число кластеров.

выбрать наблюдения с максимальным расстоянием между центрами кластеров;
рассортировать расстояния и выбрать наблюдения с постоянными интервалами (установка по умолчанию);
взять первые наблюдения за центры и присоединять остальные объекты к ним.

Для наших целей подходит вариант 1).

Многие алгоритмы кластеризации часто «навязывают» данным не присущую им структуру и дезориентируют исследователя. Поэтому крайне необходимо применять несколько алгоритмов кластерного анализа и делать выводы на основании общей оценки результатов работы алгоритмов

Результаты анализа можно посмотреть в появившемся диалоговом окне:

Если выбрать вкладку Graph of means, будет построен график координат центров кластеров:

Каждая ломаная линия на этом графике соответствует одному из кластеров. Каждое деление горизонтальной оси графика соответствует одной из переменных, включенных в анализ.

Вертикальная ось соответствует средним значениям переменных для объектов, входящих в каждый из кластеров.

Можно отметить, что просматриваются существенные отличия в отношении двух групп людей к служебной карьере почти по все вопросам. Лишь в одном вопросе наблюдается полное единодушие – в ощущении социального благополучия (ОСБ), вернее, отсутствии такового (2,5 балла из 10).

Можно предположить, что кластер 1 отображает рабочих, а кластер 2 – руководство. Руководители больше удовлетворены карьерным ростом (КР), сочетанием личных целей и целей организации (СЛЦ).

У них выше уровень ощущения экономического благосостояния (ОЭБ) и ощущения справедливости в оплате труда (ОСО).

Территориальная близость к дому (ТБД) волнует их меньше, чем рабочих, вероятно, из-за меньших проблем с транспортом. Также у руководителей меньше желания сменить работу (ЖСР).

Не смотря на то, что работники делятся на две категории, они относительно одинаково отвечают на большинство вопросов. Другими словами, если что-то не устраивает общую группу работников, то же самое не устраивает и высшее руководство, и наоборот.

Согласование графиков позволяет сделать выводы о том, что благосостояние одной группы отражается на благосостоянии другой.

Кластер 1 не доволен территориальной близостью к дому. Данной группой является основная часть работников, которые в основном приходят на предприятие с разных сторон города.

Следовательно, можно предложить главному руководству направить часть прибыли на строительство жилья для сотрудников предприятия.

Просматриваются существенные отличия в отношении двух групп людей к служебной карьере. Те сотрудники, которых устраивает карьерный рост, у которых высоко совпадение личных целей и целей организации, не имеют желание сменить работу и ощущают удовлетворённость результатами труда.

И наоборот, сотрудников, желающих сменить работу и неудовлетворённых результатами труда, не устраивают изложенные показатели. Высшему руководству следует обратить особое внимание на сложившуюся ситуацию.

Результаты дисперсионного анализа по каждому признаку выводятся по нажатию кнопки Analysis of variance.

Выводятся суммы квадратов отклонения объектов от центров кластеров (SS Within) и суммы квадратов отклонений между центрами кластеров (SS Between), значения F-статистики и уровни значимости р.

Внимание!

Для нашего примера уровни значимости для двух переменных довольно велики, что объясняется малым числом наблюдений. В полном варианте исследования, с которым можно ознакомиться в работе, гипотезы о равенстве средних для центров кластеров отклоняются на уровнях значимости меньше 0,01.

Кнопка Save classifications and distances выводит номера объектов, входящих в каждый кластер и расстояния объектов до центра каждого кластера.

В таблице показаны номера наблюдений (CASE_NO), составляющие кластеры с номерами CLUSTER и расстояния от центра каждого кластера (DISTANCE).

Информация о принадлежности объектов к кластерам может быть записана в файл и использоваться в дальнейшем анализе. В данном примере сравнение полученных результатов с анкетами показало, что кластер 1 состоит, в основном, из рядовых работников, а кластер 2 – из менеджеров.

Таким образом, можно заметить, что при обработке результатов анкетирования кластерный анализ оказался мощным методом, позволяющим сделать выводы, к которым невозможно прийти, построив гистограмму средних или посчитав процентное соотношение удовлетворённых различными показателями качества трудовой жизни.

Древовидная кластеризация – это пример иерархического алгоритма, принцип работы которого состоит в последовательном объединении в кластер сначала самых близких, а затем и всё более отдалённых друг от друга элементов.

Большинство из этих алгоритмов исходит из матрицы сходства (расстояний), и каждый отдельный элемент рассматривается вначале как отдельный кластер.

После загрузки модуля кластерного анализа и выбора Joining (tree clustering), в окне ввода параметров кластеризации можно изменить следующие параметры:

Исходные данные (Input). Они могут быть в виде матрицы исследуемых данных (Raw data) и в виде матрицы расстояний (Distance matrix).
Кластеризацию (Cluster) наблюдений (Cases (raw)) или переменных (Variable (columns)), описывающих состояние объекта.
Меры расстояния (Distance measure). Здесь возможен выбор следующих мер: евклидово расстояние (Euclidean distances), квадрат евклидова расстояния (Squared Euclidean distances), расстояние городских кварталов (манхэттенское расстояние, City-block (Manhattan) distance), расстояние Чебышёва (Chebychev distance metric), степенное расстояние (Power…), процент несогласия (Percent disagreement).
Метод кластеризации (Amalgamation (linkage) rule). Здесь возможны следующие варианты: одиночная связь (метод ближайшего соседа) (Single Linkage), полная связь (метод наиболее удаленных соседей) (Complete Linkage), невзвешенное попарное среднее (Unweighted pair-group average), взвешенное попарное среднее (Weighted pair-group average), невзвешенный центроидный метод (Unweighted pair-group centroid), взвешенный центроидный метод (медиана) (Weighted pair-group centroid (median)), метод Уорда (Ward’s method).

В результате кластеризации строится горизонтальная или вертикальная дендрограмма – график, на котором определены расстояния между объектами и кластерами при их последовательном объединении.

Древовидная структура графика позволяет определить кластеры в зависимости от выбранного порога – заданного расстояния между кластерами.

Кроме того, выводится матрица расстояний между исходными объектами (Distance matrix); средние и среднеквадратичные отклонения для каждого исходного объекта (Distiptive statistics).

Для рассмотренного примера проведём кластерный анализ переменных с установками по умолчанию. Результирующася дендрограмма изображена на рисунке.

На вертикальной оси дендрограммы откладываются расстояния между объектами и между объектами и кластерами. Так, расстояние между переменными ОЭБ и ОСО равно пяти. Эти переменные на первом шаге объединяются в один кластер.

Горизонтальные отрезки дендрограммы проводятся на уровнях, соответствующих пороговым значениям расстояний, выбираемым для данного шага кластеризации.

Из графика видно, что вопрос «желание сменить работу» (ЖСР) образует отдельный кластер. Вообще, желание свалить куда угодно посещает всех в равной степени. Далее отдельный кластер составляет вопрос о территориальной близости к дому (ТБД).

По степени важности он стоит на втором месте, что подтверждает вывод о необходимости строительства жилья, сделанный по результатам исследования методом K-средних.

Ощущение экономического благосостояния (ОЭБ) и справедливости в оплате труда (ОСО) объединены — это блок экономических вопросов. Карьерный рост (КР) и сочетание личных целей и целей организации (СЛЦ) также объединены.

Другие методы кластеризации, а также выбор других видов расстояний не приводит к существенному изменению дендрограммы.

Результаты:

Кластерный анализ является мощным средством разведочного анализа данных и статистических исследований в любой предметной области.
В программе Statistica реализованы как иерархические, так и структурные методы кластерного анализа. Преимущества этого статистического пакета обусловлены их графическими возможностями. Предусмотрены двумерные и трёхмерные графические отображения полученных кластеров в пространстве исследуемых переменных, а также результаты работы иерархической процедуры группирования объектов.
Необходимо применять несколько алгоритмов кластерного анализа и делать выводы на основании общей оценки результатов работы алгоритмов.
Кластерный анализ можно считать успешным, если он выполнен разными способами, проведено сравнение результатов и найдены общие закономерности, а также найдены стабильные кластеры независимо от способа кластеризации.
Кластерный анализ позволяет выявить проблемные ситуации и наметить пути их решения. Следовательно, этот метод непараметрической статистики можно рассматривать как составную часть системного анализа.

Кластеризация – объединение в группы схожих объектов – является одной из фундаментальных задач в области анализа данных и Data Mining. Список прикладных областей, где она применяется, широк: сегментация изображений, маркетинг, борьба с мошенничеством, прогнозирование, анализ текстов и многие другие. На современном этапе кластеризация часто выступает первым шагом при анализе данных. После выделения схожих групп применяются другие методы, для каждой группы строится отдельная модель.

Задачу кластеризации в том или ином виде формулировали в таких научных направлениях, как статистика, распознавание образов, оптимизация, машинное обучение. Отсюда многообразие синонимов понятию кластер – класс, таксон, сгущение.

На сегодняшний момент число методов разбиения групп объектов на кластеры довольно велико – несколько десятков алгоритмов и еще больше их модификаций. Однако нас интересуют алгоритмы кластеризации с точки зрения их применения в Data Mining.

Кластеризация в Data Mining

Кластеризация в Data Mining приобретает ценность тогда, когда она выступает одним из этапов анализа данных, построения законченного аналитического решения. Аналитику часто легче выделить группы схожих объектов, изучить их особенности и построить для каждой группы отдельную модель, чем создавать одну общую модель на всех данных. Таким приемом постоянно пользуются в маркетинге, выделяя группы клиентов, покупателей, товаров и разрабатывая для каждой их них отдельную стратегию.

Очень часто данные, с которыми сталкивается технология Data Mining, имеют следующие важные особенности:

высокая размерность (тысячи полей) и большой объем (сотни тысяч и миллионы записей) таблиц баз данных и хранилищ данных (сверхбольшие базы данных);
наборы данных содержат большое количество числовых и категорийных атрибутов.

Все атрибуты, или признаки объектов делятся на числовые (numerical) и категорийные (categorical). Числовые атрибуты – это такие, которые могут быть упорядочены в пространстве, соответственно категорийные – которое не могут быть упорядочены. Например, атрибут "возраст" – числовой, а "цвет" – категорийный. Приписывание атрибутам значений происходит во время измерений выбранным типом шкалы, а это, вообще говоря, представляет собой отдельную задачу.

Большинство алгоритмов кластеризации предполагают сравнение объектов между собой на основе некоторой меры близости (сходства). Мерой близости называется величина, имеющая предел и возрастающая с увеличением близости объектов. Меры сходства "изобретаются" по специальным правилам, а выбор конкретных мер зависит от задачи, а также от шкалы измерений. В качестве меры близости для числовых атрибутов очень часто используется евклидово расстояние , вычисляемое по формуле:

$$D (x, y)=\sqrt{\sum_{i}{(x-y)^2}}$$

Потребность в обработке больших массивов данных в Data Mining привела к формулированию требований, которым, по возможности, должен удовлетворять алгоритм кластеризации. Рассмотрим их:

Минимально возможное количество проходов по базе данных;
Работа в ограниченном объеме оперативной памяти компьютера;
Работу алгоритма можно прервать с сохранением промежуточных результатов, чтобы продолжить вычисления позже;
Алгоритм должен работать, когда объекты из базы данных могут извлекаться только в режиме однонаправленного курсора (т.е. в режиме навигации по записям).

Алгоритм, удовлетворяющий данным требованиям (особенно второму), будем называть масштабируемым (scalable). Масштабируемость – важнейшее свойство алгоритма, зависящее от его вычислительной сложности и программной реализации. Имеется и более емкое определение. Алгоритм называют масштабируемым, если при неизменной емкости оперативной памяти с увеличением числа записей в базе данных время его работы растет линейно.

Но далеко не всегда требуется обрабатывать сверхбольшие массивы данных. Поэтому на заре становления теории кластерного анализа вопросам масштабируемости алгоритмов внимания практически не уделялось. Предполагалось, что все обрабатываемые данные будут умещаться в оперативной памяти, главный упор всегда делался на улучшение качества кластеризации. Трудно соблюсти баланс между высоким качеством кластеризации и масштабируемостью. Поэтому в идеале в арсенале Data Mining должны присутствовать как эффективные алгоритмы кластеризации микромассивов (microarrays), так и масштабируемые для обработки сверхбольших баз данных (large databases).

Алгоритмы кластеризации: блеск и нищета

Итак, уже можно классифицировать кластерные алгоритмы на масштабируемые и немасштабируемые . Продолжим классификацию.

По способу разбиения на кластеры алгоритмы бывают двух типов: иерархические и неиерархические. Классические иерархические алгоритмы работают только с категорийными атрибутами, когда строится полное дерево вложенных кластеров. Здесь распространены агломеративные методы построения иерархий кластеров – в них производится последовательное объединение исходных объектов и соответствующее уменьшение числа кластеров. Иерархические алгоритмы обеспечивают сравнительно высокое качество кластеризации и не требуют предварительного задания количества кластеров. Большинство из них имеют сложность O(n 2).

Неиерархические алгоритмы основаны на оптимизации некоторой целевой функции, определяющей оптимальное в определенном смысле разбиение множества объектов на кластеры. В этой группе популярны алгоритмы семейства k-средних (k-means, fuzzy c-means, Густафсон-Кесселя), которые в качестве целевой функции используют сумму квадратов взвешенных отклонений координат объектов от центров искомых кластеров. Кластеры ищутся сферической либо эллипсоидной формы. В канонической реализации минимизация функции производится на основе метода множителей Лагранжа и позволяет найти только ближайший локальный минимум. Использование методов глобального поиска (генетические алгоритмы) значительно увеличит вычислительную сложность алгоритма.

Среди неиерархических алгоритмов, не основанных на расстоянии, следует выделить EM-алгоритм (Expectation-Maximization). В нем вместо центров кластеров предполагается наличие функции плотности вероятности для каждого кластера с соответствующим значением математического ожидания и дисперсией. В смеси распределений (рис. 2) ведется поиск их параметров (средние и стандартные отклонения) по принципу максимума правдоподобия. Алгоритм EM и есть одна из реализаций такого поиска. Проблема заключается в том, что перед стартом алгоритма выдвигается гипотеза о виде распределений, которые оценить в общей совокупности данных сложно.

Еще одна проблема появляется тогда, когда атрибуты объекта смешанные – одна часть имеет числовой тип, а другая часть – категорийный. Например, пусть требуется вычислить расстояние между следующими объектами с атрибутами (Возраст, Пол, Образование):

(1) {23, муж, высшее}
(2) {25, жен, среднее}.

Первый атрибут является числовым, остальные – категорийными. Если мы захотим воспользоваться классическим иерархическим алгоритмом с какой-либо мерой сходства, нам придется каким-то образом произвести дискредитацию атрибута "Возраст". Например, так:

(1) {до 30 лет, муж, высшее}
(2) {до 30 лет, жен, среднее}.

При этом часть информации, мы, безусловно, потеряем. Если же мы будем определять расстояние в евклидовом пространстве, то возникнут вопросы с категорийными атрибутами. Понятно, что расстояние между "Пол муж" и "Пол жен" равно 0, т.к. значения этого признака находятся в шкале наименований. А атрибут "Образование" можно измерить как в шкале наименований, так и в шкале порядка, присвоив каждому значению определенные балл. Какой вариант выбрать? А что делать, если категорийные атрибуты важнее числовых? Решение этих проблем ложится на плечи аналитика. Кроме того, при использовании алгоритма k-средних и ему подобных возникают трудности с пониманием центров кластеров у категорийных атрибутов, априорным заданием количества кластеров.

Алгоритм оптимизации целевой функции в неиерархических алгоритмах, основанных на расстояниях, носит итеративный характер, и на каждой итерации требуется рассчитывать матрицу расстояний между объектами. При большом числе объектов это неэффективно и требует серьезных вычислительных ресурсов. Вычислительная сложность 1й итерации алгоритма k-means оценивается как O(kmn), где k,m,n – количество кластеров, атрибутов и объектов соответственно. Но итераций может быть очень много! Придется делать много проходов по набору данных.

Имеет массу недостатков в k-means сам подход с идеей поиска кластеров сферической или эллипсоидной формы. Подход хорошо работает, когда данные в пространстве образуют компактные сгустки, хорошо отличимые друг от друга. А если данные имеют вложенную форму, то ни один из алгоритмов семейства k-means никогда не справится с такой задачей. Также алгоритм плохо работает в случае, когда один кластер значительно больше остальных, и они находятся близко друг от друга – возникает эффект "расщепления" большого кластера (рис. 3).

Впрочем, исследования в области совершенствования алгоритмов кластеризации идут постоянно. Разработаны интересные расширения алгоритма k-means для работы с категорийными атрибутами (k-modes) и смешанными атрибутами (k-prototypes). Например, в k-prototypes расчет расстояний между объектами осуществляется по-разному в зависимости от типа атрибута.

На рынке масштабируемых алгоритмов кластеризации борьба идет за снижение каждого "дополнительного" прохода по набору данных во время работы алгоритма. Разработаны масштабируемые аналоги k-means и EM (scalable k-means и scalable EM), масштабируемые агломеративные методы (CURE, CACTUS). Эти современные алгоритмы требуют всего несколько (от двух до десяти) сканирований базы данных до получения финальной кластеризации.

Получение масштабируемых алгоритмов основано на идее отказа от локальной функции оптимизации. Парное сравнение объектов между собой в алгоритме k-means есть не что иное, как локальная оптимизация, т.к. на каждой итерации необходимо рассчитывать расстояние от центра кластера до каждого объекта. Это ведет к большим вычислительным затратам. При задании глобальной функции оптимизации добавление новой точки в кластер не требует больших вычислений: оно рассчитывается на основе старого значения, нового объекта и так называемых кластерных характеристик (clusters features). Конкретные кластерные характеристики зависят от того или иного алгоритма. Так появились алгоритмы BIRCH, LargeItem, CLOPE и многие другие.

Таким образом, не существует единого универсального алгоритма кластеризации. При использовании любого алгоритма важно понимать его достоинства и недостатки, учитывать природу данных, с которыми он лучше работает и способность к масштабируемости.

Литература

Bradley, P., Fayyad, U., Reina, C. Scaling Clustering Algorithms to Large Databases, Proc. 4th Int"l Conf. Knowledge Discovery and Data Mining, AAAI Press, Menlo Park, Calif., 1998.
Zhang, T., Ramakrishnan, R., Livny, M. Birch: An Efficient Data Clustering Method for Large Databases, Proc. ACM SIGMOD Int’l Conf. Management of Data, ACM Press, New York, 1996.
Paul S. Bradley, Usama M. Fayyad, Cory A. Reina Scaling EM (Expectation-Maximization) Clustering to Large Databases, Microsoft Research, 1999.
Z. Huang. Clustering large data sets with mixed numeric and categorical values. In The First Pacific-Asia Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, 1997.
Milenova, B., Campos, M. Clustering large databases with numeric and nominal values using orthogonal projections, Oracle Data Mining Technologies, 2002.
Z. Huang. A fast clustering algorithm to claster very large categorical data sets in Data Mining. Research Issues on on Data Mining and KDD, 1997.
Wang, K., Xu, C.. Liu, B. Clustering transactions using large items. In Proc. CIKM’99, Kansas, Missouri, 1999.
Guha S., Rastogi R.,Shim K. CURE: An Efficient Clustering Algorithm for Large Databases, Proc. ACM SIGMOD Int’l Conf. Management of Data, ACM Press, New York, 1998.
Ganti V., Gerhke J., Ramakrishan R. CACTUS – Clustering Categorical Data Using Summaries. In Proc KDD’99, 1999.
J. Bilmes. A Gentle Tutorial on the EM Algorithm and its Application to Parameter Estimation for Gaussian Mixture and Hidden Markov Models, Tech. Report ICSI-TR-97-021, 1997.
Добыча данных в сверхбольших базах данных / В. Ганти, Й. Герке, Р. Рамакришнан // Открытые системы, №9-10, 1999.
Барсегян и др. Методы и модели анализа данных: OLAP и Data Mining. – СПб., 2004.

Типы входных данных

Признаковое описание объектов. Каждый объект описывается набором своих характеристик, называемых признаками . Признаки могут быть числовыми или нечисловыми.
Матрица расстояний между объектами. Каждый объект описывается расстояниями до всех остальных объектов обучающей выборки.

Цели кластеризации

Понимание данных путём выявления кластерной структуры. Разбиение выборки на группы схожих объектов позволяет упростить дальнейшую обработку данных и принятия решений, применяя к каждому кластеру свой метод анализа (стратегия «разделяй и властвуй »).
Сжатие данных . Если исходная выборка избыточно большая, то можно сократить её, оставив по одному наиболее типичному представителю от каждого кластера.
Обнаружение новизны (англ. novelty detection ). Выделяются нетипичные объекты, которые не удаётся присоединить ни к одному из кластеров.

В первом случае число кластеров стараются сделать поменьше. Во втором случае важнее обеспечить высокую степень сходства объектов внутри каждого кластера, а кластеров может быть сколько угодно. В третьем случае наибольший интерес представляют отдельные объекты, не вписывающиеся ни в один из кластеров.

Результатом таксономии является древообразная иерархическая структура. При этом каждый объект характеризуется перечислением всех кластеров, которым он принадлежит, обычно от крупного к мелкому.

Классическим примером таксономии на основе сходства является биноминальная номенклатура живых существ, предложенная Карлом Линнеем в середине XVIII века. Аналогичные систематизации строятся во многих областях знания, чтобы упорядочить информацию о большом количестве объектов.

Методы кластеризации

Формальная постановка задачи кластеризации

Пусть - множество объектов, - множество номеров (имён, меток) кластеров. Задана функция расстояния между объектами . Имеется конечная обучающая выборка объектов . Требуется разбить выборку на непересекающиеся подмножества, называемые кластерами , так, чтобы каждый кластер состоял из объектов, близких по метрике , а объекты разных кластеров существенно отличались. При этом каждому объекту приписывается номер кластера .

Алгоритм кластеризации - это функция , которая любому объекту ставит в соответствие номер кластера . Множество в некоторых случаях известно заранее, однако чаще ставится задача определить оптимальное число кластеров, с точки зрения того или иного критерия качества кластеризации.

Литература

Айвазян С. А., Бухштабер В. М., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика: классификация и снижение размерности. - М.: Финансы и статистика, 1989.
Журавлев Ю. И., Рязанов В. В., Сенько О. В. «Распознавание». Математические методы. Программная система. Практические применения. - М.: Фазис, 2006. ISBN 5-7036-0108-8.
Загоруйко Н. Г. Прикладные методы анализа данных и знаний. - Новосибирск: ИМ СО РАН, 1999. ISBN 5-86134-060-9.
Мандель И. Д. Кластерный анализ. - М.: Финансы и статистика, 1988. ISBN 5-279-00050-7.
Шлезингер М., Главач В. Десять лекций по статистическому и структурному распознаванию. - Киев: Наукова думка, 2004. ISBN 966-00-0341-2.
Hastie T., Tibshirani R., Friedman J. The Elements of Statistical Learning. - Springer, 2001. ISBN 0-387-95284-5.
Jain, Murty, Flynn Data clustering: a review . // ACM Comput. Surv. 31 (3) , 1999

Внешние ссылки

На русском языке

www.MachineLearning.ru - профессиональный вики-ресурс, посвященный машинному обучению и интеллектуальному анализу данных
С. Николенко. Слайды лекций по алгоритмам кластеризации

На английском языке

COMPACT - Comparative Package for Clustering Assessment . A free Matlab package, 2006.
P. Berkhin, Survey of Clustering Data Mining Techniques , Accrue Software, 2002.
Jain, Murty and Flynn: Data Clustering: A Review , ACM Comp. Surv., 1999.
for another presentation of hierarchical, k-means and fuzzy c-means see this introduction to clustering . Also has an explanation on mixture of Gaussians.
David Dowe, Mixture Modelling page - other clustering and mixture model links.
a tutorial on clustering
The on-line textbook: Information Theory, Inference, and Learning Algorithms , by David J.C. MacKay includes chapters on k-means clustering, soft k-means clustering, and derivations including the E-M algorithm and the variational view of the E-M algorithm.
"The Self-Organized Gene" , tutorial explaining clustering through competitive learning and self-organizing maps.
kernlab - R package for kernel based machine learning (includes spectral clustering implementation)
Tutorial - Tutorial with introduction of Clustering Algorithms (k-means, fuzzy-c-means, hierarchical, mixture of gaussians) + some interactive demos (java applets)
Data Mining Software - Data mining software frequently utilizes clustering techniques.
Java Competitve Learning Application A suite of Unsupervised Neural Networks for clustering. Written in Java. Complete with all source code.

Кластерный анализ

Большинство исследователей склоняются к тому, что впервые термин «кластерный анализ» (англ. cluster - гроздь, сгусток, пучок) был предложен математиком Р.Трионом . Впоследствии возник ряд терминов, которые в настоящее время принято считать синонимами термина «кластерный анализ»: автоматическая классификация; ботриология.

Кластерный анализ - это многомерная статистическая процедура, выполняющая сбор данных, содержащих информацию о выборке объектов, и затем упорядочивающая объекты в сравнительно однородные группы (кластеры)(Q-кластеризация, или Q-техника, собственно кластерный анализ). Кластер - группа элементов, характеризуемых общим свойством, главная цель кластерного анализа - нахождение групп схожих объектов в выборке. Спектр применений кластерного анализа очень широк: его используют в археологии, медицине, психологии, химии, биологии, государственном управлении, филологии, антропологии, маркетинге, социологии и других дисциплинах. Однако универсальность применения привела к появлению большого количества несовместимых терминов, методов и подходов, затрудняющих однозначное использование и непротиворечивую интерпретацию кластерного анализа. Орлов А. И. предлагает различать следующим образом:

Задачи и условия

Кластерный анализ выполняет следующие основные задачи :

Разработка типологии или классификации.
Исследование полезных концептуальных схем группирования объектов.
Порождение гипотез на основе исследования данных.
Проверка гипотез или исследования для определения, действительно ли типы (группы), выделенные тем или иным способом, присутствуют в имеющихся данных.

Независимо от предмета изучения применение кластерного анализа предполагает следующие этапы :

Отбор выборки для кластеризации. Подразумевается, что имеет смысл кластеризовать только количественные данные.
Определение множества переменных, по которым будут оцениваться объекты в выборке, то есть признакового пространства.
Вычисление значений той или иной меры сходства (или различия) между объектами.
Применение метода кластерного анализа для создания групп сходных объектов.
Проверка достоверности результатов кластерного решения.

Кластерный анализ предъявляет следующие требования к данным :

показатели не должны коррелировать между собой;
показатели не должны противоречить теории измерений;
распределение показателей должно быть близко к нормальному;
показатели должны отвечать требованию «устойчивости», под которой понимается отсутствие влияния на их значения случайных факторов;
выборка должна быть однородна, не содержать «выбросов».

Можно встретить описание двух фундаментальных требований предъявляемых к данным - однородность и полнота:

Однородность требует, чтобы все сущности, представленные в таблице, были одной природы. Требование полноты состоит в том, чтобы множества I и J представляли полную опись проявлений рассматриваемого явления. Если рассматривается таблица в которой I - совокупность, а J - множество переменных, описывающих эту совокупность, то должно должно быть представительной выборкой из изучаемой совокупности, а система характеристик J должна давать удовлетворительное векторное представление индивидов i с точки зрения исследователя .

Если кластерному анализу предшествует факторный анализ , то выборка не нуждается в «ремонте» - изложенные требования выполняются автоматически самой процедурой факторного моделирования (есть ещё одно достоинство - z-стандартизация без негативных последствий для выборки; если её проводить непосредственно для кластерного анализа, она может повлечь за собой уменьшение чёткости разделения групп). В противном случае выборку нужно корректировать.

Типология задач кластеризации

Типы входных данных

В современной науке применяется несколько алгоритмов обработки входных данных. Анализ путём сравнения объектов, исходя из признаков, (наиболее распространённый в биологических науках) называется Q -типом анализа, а в случае сравнения признаков, на основе объектов - R -типом анализа. Существуют попытки использования гибридных типов анализа (например, RQ -анализ), но данная методология ещё должным образом не разработана.

Цели кластеризации

Понимание данных путём выявления кластерной структуры. Разбиение выборки на группы схожих объектов позволяет упростить дальнейшую обработку данных и принятия решений, применяя к каждому кластеру свой метод анализа (стратегия «разделяй и властвуй »).
Сжатие данных . Если исходная выборка избыточно большая, то можно сократить её, оставив по одному наиболее типичному представителю от каждого кластера.
Обнаружение новизны (англ. novelty detection ). Выделяются нетипичные объекты, которые не удаётся присоединить ни к одному из кластеров.

Во всех этих случаях может применяться иерархическая кластеризация , когда крупные кластеры дробятся на более мелкие, те в свою очередь дробятся ещё мельче, и т. д. Такие задачи называются задачами таксономии . Результатом таксономии является древообразная иерархическая структура. При этом каждый объект характеризуется перечислением всех кластеров, которым он принадлежит, обычно от крупного к мелкому.

Методы кластеризации

Общепринятой классификации методов кластеризации не существует, но можно отметить солидную попытку В. С. Берикова и Г. С. Лбова . Если обобщить различные классификации методов кластеризации, то можно выделить ряд групп (некоторые методы можно отнести сразу к нескольким группам и потому предлагается рассматривать данную типизацию как некоторое приближение к реальной классификации методов кластеризации):

Вероятностный подход . Предполагается, что каждый рассматриваемый объект относится к одному из k классов. Некоторые авторы (например, А. И. Орлов) считают, что данная группа вовсе не относится к кластеризации и противопоставляют её под названием «дискриминация», то есть выбор отнесения объектов к одной из известных групп (обучающих выборок).
Подходы на основе систем искусственного интеллекта . Весьма условная группа, так как методов AI очень много и методически они весьма различны.
Логический подход . Построение дендрограммы осуществляется с помощью дерева решений.
Теоретико-графовый подход .
- Графовые алгоритмы кластеризации
Иерархический подход . Предполагается наличие вложенных групп (кластеров различного порядка). Алгоритмы в свою очередь подразделяются на агломеративные (объединительные) и дивизивные (разделяющие). По количеству признаков иногда выделяют монотетические и политетические методы классификации.
- Иерархическая дивизивная кластеризация или таксономия. Задачи кластеризации рассматриваются в количественной таксономии.
Другие методы . Не вошедшие в предыдущие группы.
- Статистические алгоритмы кластеризации
- Ансамбль кластеризаторов
- Алгоритмы семейства KRAB
- Алгоритм, основанный на методе просеивания
- DBSCAN и др.

Подходы 4 и 5 иногда объединяют под названием структурного или геометрического подхода, обладающего большей формализованностью понятия близости . Несмотря на значительные различия между перечисленными методами все они опираются на исходную «гипотезу компактности »: в пространстве объектов все близкие объекты должны относиться к одному кластеру, а все различные объекты соответственно должны находиться в различных кластерах.

Формальная постановка задачи кластеризации

Кластеризация (обучение без учителя) отличается от классификации (обучения с учителем) тем, что метки исходных объектов изначально не заданы, и даже может быть неизвестно само множество .

Решение задачи кластеризации принципиально неоднозначно, и тому есть несколько причин (как считает ряд авторов):

не существует однозначно наилучшего критерия качества кластеризации. Известен целый ряд эвристических критериев, а также ряд алгоритмов, не имеющих чётко выраженного критерия, но осуществляющих достаточно разумную кластеризацию «по построению». Все они могут давать разные результаты. Следовательно, для определения качества кластеризации требуется эксперт предметной области, который бы мог оценить осмысленность выделения кластеров.
число кластеров, как правило, неизвестно заранее и устанавливается в соответствии с некоторым субъективным критерием. Это справедливо только для методов дискриминации, так как в методах кластеризации выделение кластеров идёт за счёт формализованного подхода на основе мер близости.
результат кластеризации существенно зависит от метрики, выбор которой, как правило, также субъективен и определяется экспертом. Но стоит отметить, что есть ряд рекомендаций к выбору мер близости для различных задач.

Применение

В биологии

В биологии кластеризация имеет множество приложений в самых разных областях. Например, в биоинформатике с помощью нее анализируются сложные сети взаимодействующих генов, состоящие порой из сотен или даже тысяч элементов. Кластерный анализ позволяет выделить подсети, узкие места, концентраторы и другие скрытые свойства изучаемой системы, что позволяет в конечном счете узнать вклад каждого гена в формирование изучаемого феномена.

В области экологии широко применяется для выделения пространственно однородных групп организмов, сообществ и т. п. Реже методы кластерного анализа применяются для исследования сообществ во времени. Гетерогенность структуры сообществ приводит к возникновению нетривиальных методов кластерного анализа (например, метод Чекановского).

В общем стоит отметить, что исторически сложилось так, что в качестве мер близости в биологии чаще используются меры сходства , а не меры различия (расстояния).

В социологии

При анализе результатов социологических исследований рекомендуется осуществлять анализ методами иерархического агломеративного семейства, а именно методом Уорда, при котором внутри кластеров оптимизируется минимальная дисперсия, в итоге создаются кластеры приблизительно равных размеров. Метод Уорда наиболее удачен для анализа социологических данных. В качестве меры различия лучше квадратичное евклидово расстояние, которое способствует увеличению контрастности кластеров. Главным итогом иерархического кластерного анализа является дендрограмма или «сосульчатая диаграмма». При её интерпретации исследователи сталкиваются с проблемой того же рода, что и толкование результатов факторного анализа - отсутствием однозначных критериев выделения кластеров. В качестве главных рекомендуется использовать два способа - визуальный анализ дендрограммы и сравнение результатов кластеризации, выполненной различными методами.

Визуальный анализ дендрограммы предполагает «обрезание» дерева на оптимальном уровне сходства элементов выборки. «Виноградную ветвь» (терминология Олдендерфера М. С. и Блэшфилда Р. К. ) целесообразно «обрезать» на отметке 5 шкалы Rescaled Distance Cluster Combine, таким образом будет достигнут 80 % уровень сходства. Если выделение кластеров по этой метке затруднено (на ней происходит слияние нескольких мелких кластеров в один крупный), то можно выбрать другую метку. Такая методика предлагается Олдендерфером и Блэшфилдом.

Теперь возникает вопрос устойчивости принятого кластерного решения. По сути, проверка устойчивости кластеризации сводится к проверке её достоверности. Здесь существует эмпирическое правило - устойчивая типология сохраняется при изменении методов кластеризации. Результаты иерархического кластерного анализа можно проверять итеративным кластерным анализом по методу k-средних. Если сравниваемые классификации групп респондентов имеют долю совпадений более 70 % (более 2/3 совпадений), то кластерное решение принимается.

Проверить адекватность решения, не прибегая к помощи другого вида анализа, нельзя. По крайней мере, в теоретическом плане эта проблема не решена. В классической работе Олдендерфера и Блэшфилда «Кластерный анализ» подробно рассматриваются и в итоге отвергаются дополнительные пять методов проверки устойчивости:

В информатике

Кластеризация результатов поиска - используется для «интеллектуальной» группировки результатов при поиске файлов , веб-сайтов , других объектов , предоставляя пользователю возможность быстрой навигации, выбора заведомо более релевантного подмножества и исключения заведомо менее релевантного - что может повысить юзабилити интерфейса по сравнению с выводом в виде простого сортированного по релевантности списка .
- Clusty - кластеризующая поисковая машина компании Vivísimo
- Nigma - российская поисковая система с автоматической кластеризацией результатов
- Quintura - визуальная кластеризация в виде облака ключевых слов
Сегментация изображений (англ. image segmentation ) - Кластеризация может быть использована для разбиения цифрового изображения на отдельные области с целью обнаружения границ (англ. edge detection ) или распознавания объектов .
Интеллектуальный анализ данных (англ. data mining) - Кластеризация в Data Mining приобретает ценность тогда, когда она выступает одним из этапов анализа данных, построения законченного аналитического решения. Аналитику часто легче выделить группы схожих объектов, изучить их особенности и построить для каждой группы отдельную модель, чем создавать одну общую модель для всех данных. Таким приемом постоянно пользуются в маркетинге, выделяя группы клиентов, покупателей, товаров и разрабатывая для каждой из них отдельную стратегию.

См. также

Примечания

Ссылки

На русском языке

www.MachineLearning.ru - профессиональный вики-ресурс, посвященный машинному обучению и интеллектуальному анализу данных

На английском языке

COMPACT - Comparative Package for Clustering Assessment . A free Matlab package, 2006.
P. Berkhin, Survey of Clustering Data Mining Techniques , Accrue Software, 2002.
Jain, Murty and Flynn: Data Clustering: A Review , ACM Comp. Surv., 1999.
for another presentation of hierarchical, k-means and fuzzy c-means see this introduction to clustering . Also has an explanation on mixture of Gaussians.
David Dowe, Mixture Modelling page - other clustering and mixture model links.
a tutorial on clustering
The on-line textbook: Information Theory, Inference, and Learning Algorithms , by David J.C. MacKay includes chapters on k-means clustering, soft k-means clustering, and derivations including the E-M algorithm and the variational view of the E-M algorithm.
«The Self-Organized Gene» , tutorial explaining clustering through competitive learning and self-organizing maps.
kernlab - R package for kernel based machine learning (includes spectral clustering implementation)
Tutorial - Tutorial with introduction of Clustering Algorithms (k-means, fuzzy-c-means, hierarchical, mixture of gaussians) + some interactive demos (java applets)
Data Mining Software - Data mining software frequently utilizes clustering techniques.
Java Competitve Learning Application A suite of Unsupervised Neural Networks for clustering. Written in Java. Complete with all source code.
Machine Learning Software - Also contains much clustering software.