- •Что такое Data Mining?
- •Понятие Статистики
- •Понятие Машинного обучения
- •Понятие Искусственного интеллекта
- •Сравнение статистики, машинного обучения и Data Mining
- •Развитие технологии баз данных
- •Понятие Data Mining
- •Data Mining как часть рынка информационных технологий
- •Классификация аналитических систем
- •Мнение экспертов о Data Mining
- •Отличия Data Mining от других методов анализа данных
- •Перспективы технологии Data Mining
- •Существующие подходы к анализу
- •Данные
- •Что такое данные?
- •Набор данных и их атрибутов
- •Измерения
- •Шкалы
- •Типы наборов данных
- •Данные, состоящие из записей
- •Графические данные
- •Химические данные
- •Форматы хранения данных
- •Базы данных. Основные положения
- •Системы управления базами данных, СУБД
- •Классификация видов данных
- •Метаданные
- •Методы и стадии Data Mining
- •Классификация стадий Data Mining
- •Сравнение свободного поиска и прогностического моделирования с точки зрения логики
- •Классификация методов Data Mining
- •Классификация технологических методов Data Mining
- •Свойства методов Data Mining
- •Задачи Data Mining. Информация и знания
- •Задачи Data Mining
- •Классификация задач Data Mining
- •Связь понятий
- •От данных к решениям
- •От задачи к приложению
- •Информация
- •Свойства информации
- •Требования, предъявляемые к информации
- •Знания
- •Сопоставление и сравнение понятий "информация", "данные", "знание"
- •Задачи Data Mining. Классификация и кластеризация
- •Задача классификации
- •Процесс классификации
- •Методы, применяемые для решения задач классификации
- •Точность классификации: оценка уровня ошибок
- •Оценивание классификационных методов
- •Задача кластеризации
- •Оценка качества кластеризации
- •Процесс кластеризации
- •Применение кластерного анализа
- •Кластерный анализ в маркетинговых исследованиях
- •Практика применения кластерного анализа в маркетинговых исследованиях
- •Выводы
- •Задачи Data Mining. Прогнозирование и визуализация
- •Задача прогнозирования
- •Сравнение задач прогнозирования и классификации
- •Прогнозирование и временные ряды
- •Тренд, сезонность и цикл
- •Точность прогноза
- •Виды прогнозов
- •Методы прогнозирования
- •Задача визуализации
- •Плохая визуализация
- •Сферы применения Data Mining
- •Применение Data Mining для решения бизнес-задач
- •Банковское дело
- •Страхование
- •Телекоммуникации
- •Электронная коммерция
- •Промышленное производство
- •Маркетинг
- •Розничная торговля
- •Фондовый рынок
- •Применение Data Mining в CRM
- •Исследования для правительства
- •Data Mining для научных исследований
- •Биоинформатика
- •Медицина
- •Фармацевтика
- •Молекулярная генетика и генная инженерия
- •Химия
- •Web Mining
- •Text Mining
- •Call Mining
- •Основы анализа данных
- •Анализ данных в Microsoft Excel
- •Описательная статистика
- •Центральная тенденция
- •Свойства среднего
- •Некоторые свойства медианы
- •Характеристики вариации данных
- •Корреляционный анализ
- •Коэффициент корреляции Пирсона
- •Регрессионный анализ
- •Последовательность этапов регрессионного анализа
- •Задачи регрессионного анализа
- •Выводы
- •Методы классификации и прогнозирования. Деревья решений
- •Преимущества деревьев решений
- •Процесс конструирования дерева решений
- •Критерий расщепления
- •Большое дерево не означает, что оно "подходящее"
- •Остановка построения дерева
- •Сокращение дерева или отсечение ветвей
- •Алгоритмы
- •Алгоритм CART
- •Алгоритм C4.5
- •Разработка новых масштабируемых алгоритмов
- •Выводы
- •Методы классификации и прогнозирования. Метод опорных векторов. Метод "ближайшего соседа". Байесовская классификация
- •Метод опорных векторов
- •Линейный SVM
- •Метод "ближайшего соседа" или системы рассуждений на основе аналогичных случаев
- •Преимущества метода
- •Недостатки метода "ближайшего соседа"
- •Решение задачи классификации новых объектов
- •Решение задачи прогнозирования
- •Оценка параметра k методом кросс-проверки
- •Байесовская классификация
- •Байесовская фильтрация по словам
- •Методы классификации и прогнозирования. Нейронные сети
- •Элементы нейронных сетей
- •Архитектура нейронных сетей
- •Обучение нейронных сетей
- •Модели нейронных сетей
- •Персептрон
- •Программное обеспечение для работы с нейронными сетями
- •Пример решения задачи
- •Пакет Matlab
- •Нейронные сети. Самоорганизующиеся карты Кохонена.
- •Классификация нейронных сетей
- •Подготовка данных для обучения
- •Выбор структуры нейронной сети
- •Карты Кохонена
- •Самоорганизующиеся карты (Self-Organizing Maps, SOM)
- •Задачи, решаемые при помощи карт Кохонена
- •Обучение сети Кохонена
- •Пример решения задачи
- •Карты входов
- •Выводы
- •Методы кластерного анализа. Иерархические методы
- •Методы кластерного анализа
- •Иерархические методы кластерного анализа
- •Меры сходства
- •Методы объединения или связи
- •Иерархический кластерный анализ в SPSS
- •Пример иерархического кластерного анализа
- •Определение количества кластеров
- •Методы кластерного анализа. Итеративные методы.
- •Алгоритм k-средних (k-means)
- •Описание алгоритма
- •Проверка качества кластеризации
- •Алгоритм PAM ( partitioning around Medoids)
- •Предварительное сокращение размерности
- •Факторный анализ
- •Итеративная кластеризация в SPSS
- •Процесс кластерного анализа. Рекомендуемые этапы
- •Сложности и проблемы, которые могут возникнуть при применении кластерного анализа
- •Сравнительный анализ иерархических и неиерархических методов кластеризации
- •Новые алгоритмы и некоторые модификации алгоритмов кластерного анализа
- •Алгоритм BIRCH (Balanced Iterative Reducing and Clustering using Hierarchies)
- •Алгоритм WaveCluster
- •Алгоритм CLARA (Clustering LARge Applications)
- •Алгоритмы Clarans, CURE, DBScan
- •Методы поиска ассоциативных правил
- •Часто встречающиеся приложения с применением ассоциативных правил:
- •Введение в ассоциативные правила
- •Часто встречающиеся шаблоны или образцы
- •Поддержка
- •Характеристики ассоциативных правил
- •Границы поддержки и достоверности ассоциативного правила
- •Методы поиска ассоциативных правил
- •Разновидности алгоритма Apriori
- •AprioriTid
- •AprioriHybrid
- •Пример решения задачи поиска ассоциативных правил
- •Визуализатор "Правила"
- •Способы визуального представления данных. Методы визуализации
- •Визуализация инструментов Data Mining
- •Визуализация Data Mining моделей
- •Методы визуализации
- •Представление данных в одном, двух и трех измерениях
- •Представление данных в 4 + измерениях
- •Параллельные координаты
- •"Лица Чернова"
- •Качество визуализации
- •Представление пространственных характеристик
- •Основные тенденции в области визуализации
- •Выводы
- •Комплексный подход к внедрению Data Mining, OLAP и хранилищ данных в СППР
- •Классификация СППР
- •OLAP-системы
- •OLAP-продукты
- •Интеграция OLAP и Data Mining
- •Хранилища данных
- •Преимущества использования хранилищ данных
- •Процесс Data Mining. Начальные этапы
- •Этап 1. Анализ предметной области
- •Этап 2. Постановка задачи
- •Этап 3. Подготовка данных
- •1. Определение и анализ требований к данным
- •2. Сбор данных
- •Определение необходимого количества данных
- •3. Предварительная обработка данных
- •Очистка данных
- •Этапы очистки данных
- •Выводы
- •Процесс Data Mining. Очистка данных
- •Инструменты очистки данных
- •Выводы по подготовке данных
- •Процесс Data Mining. Построение и использование модели
- •Моделирование
- •Виды моделей
- •Математическая модель
- •Этап 4. Построение модели
- •Этап 5. Проверка и оценка моделей
- •Этап 6. Выбор модели
- •Этап 7. Применение модели
- •Этап 8. Коррекция и обновление модели
- •Погрешности в процессе Data Mining
- •Выводы
- •Организационные и человеческие факторы в Data Mining. Стандарты Data Mining
- •Организационные Факторы
- •Человеческие факторы. Роли в Data Mining
- •CRISP-DM методология
- •SEMMA методология
- •Другие стандарты Data Mining
- •Стандарт PMML
- •Стандарты, относящиеся к унификации интерфейсов
- •Рынок инструментов Data Mining
- •Поставщики Data Mining
- •Классификация инструментов Data Mining
- •Программное обеспечение Data Mining для поиска ассоциативных правил
- •Программное обеспечение для решения задач кластеризации и сегментации
- •Программное обеспечение для решения задач классификации
- •Программное обеспечение Data Mining для решения задач оценивания и прогнозирования
- •Выводы
- •Инструменты Data Mining. SAS Enterprise Miner
- •Обзор программного продукта
- •Графический интерфейс (GUI) для анализа данных
- •Инструментарий для углубленного интеллектуального анализа данных
- •Набор инструментов для подготовки, агрегации и исследования данных
- •Интегрированный комплекс разнообразных методов моделирования
- •Интегрированные средства сравнения моделей и пакеты результатов
- •Скоринг по модели и простота развертывания модели
- •Гибкость благодаря открытости и расширяемости
- •Встроенная стратегия обнаружения данных
- •Распределенная система интеллектуального анализа данных, ориентированная на крупные предприятия
- •Основные характеристики пакета SAS Enterprise Miner 5.1
- •Специализированное хранилище данных
- •Подход SAS к созданию информационно-аналитических систем
- •Технические требования пакета SASR Enterprise Miner
- •Инструменты Data Mining. Система PolyAnalyst
- •Архитектура системы
- •PolyAnalyst Workplace - лаборатория аналитика
- •Аналитический инструментарий PolyAnalyst
- •Модули для построения числовых моделей и прогноза числовых переменных
- •Алгоритмы кластеризации
- •Алгоритмы классификации
- •Алгоритмы ассоциации
- •Модули текстового анализа
- •Визуализация
- •Эволюционное программирование
- •Общесистемные характеристики PolyAnalyst
- •WebAnalyst
- •Инструменты Data Mining. Программные продукты Cognos и система STATISTICA Data Miner
- •Особенности методологии моделирования с применением Cognos 4Thought
- •Система STATISTICA Data Miner
- •Средства анализа STATISTICA Data Miner
- •Инструменты Oracle Data Mining и Deductor
- •Oracle Data Mining
- •Oracle Data Mining - функциональные возможности
- •Прогнозирующие модели
- •Краткая характеристика алгоритмов классификации
- •Регрессия
- •Поиск существенных атрибутов
- •Дескрипторные модели
- •Алгоритмы кластеризации
- •Аналитическая платформа Deductor
- •Поддержка процесса от разведочного анализа до отображения данных
- •Архитектура Deductor Studio
- •Архитектура Deductor Warehouse
- •Описание аналитических алгоритмов
- •Инструмент KXEN
- •Реинжиниринг аналитического процесса
- •Технические характеристики продукта
- •Предпосылки создания KXEN
- •Структура KXEN Analytic Framework Version 3.0
- •Технология IOLAP
- •Data Mining консалтинг
- •Data Mining-услуги
- •Работа с клиентом
- •Примеры решения
- •Техническое описание решения
- •Выводы
Методы кластерного анализа. Иерархические методы
С понятием кластеризации мы познакомились в первом разделе курса. В этой лекции мы опишем понятие "кластер" с математической точки зрения, а также рассмотрим методы решения задач кластеризации - методы кластерного анализа.
Термин кластерный анализ, впервые введенный Трионом (Tryon) в 1939 году, включает в себя более 100 различных алгоритмов.
В отличие от задач классификации, кластерный анализ не требует априорных предположений о наборе данных, не накладывает ограничения на представление исследуемых объектов, позволяет анализировать показатели различных типов данных (интервальным данным, частотам, бинарным данным). При этом необходимо помнить, что переменные должны измеряться в сравнимых шкалах.
Кластерный анализ позволяет сокращать размерность данных, делать ее наглядной.
Кластерный анализ может применяться к совокупностям временных рядов, здесь могут выделяться периоды схожести некоторых показателей и определяться группы временных рядов со схожей динамикой.
Кластерный анализ параллельно развивался в нескольких направлениях, таких как биология, психология, др., поэтому у большинства методов существует по два и более названий. Это существенно затрудняет работу при использовании кластерного анализа.
Задачи кластерного анализа можно объединить в следующие группы:
1.Разработка типологии или классификации.
2.Исследование полезных концептуальных схем группирования объектов.
3.Представление гипотез на основе исследования данных.
4.Проверка гипотез или исследований для определения, действительно ли типы (группы), выделенные тем или иным способом, присутствуют в имеющихся данных.
Как правило, при практическом использовании кластерного анализа одновременно решается несколько из указанных задач.
Рассмотрим пример процедуры кластерного анализа.
Допустим, мы имеем набор данных А, состоящий из 14-ти примеров, у которых имеется по два признака X и Y. Данные по ним приведены в таблице 13.1.
Таблица 13.1. Набор данных А
№ примера признак X признак Y
1 |
27 |
19 |
2 |
11 |
46 |
|
|
|
147
3 |
25 |
15 |
4 |
36 |
27 |
5 |
35 |
25 |
6 |
10 |
43 |
7 |
11 |
44 |
8 |
36 |
24 |
9 |
26 |
14 |
10 |
26 |
14 |
11 |
9 |
45 |
12 |
33 |
23 |
13 |
27 |
16 |
14 |
10 |
47 |
|
|
|
Данные в табличной форме не носят информативный характер. Представим переменные X и Y в виде диаграммы рассеивания, изображенной на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Диаграмма рассеивания переменных X и Y
148
На рисунке мы видим несколько групп "похожих" примеров. Примеры (объекты), которые по значениям X и Y "похожи" друг на друга, принадлежат к одной группе (кластеру); объекты из разных кластеров не похожи друг на друга.
Критерием для определения схожести и различия кластеров является расстояние между точками на диаграмме рассеивания. Это сходство можно "измерить", оно равно расстоянию между точками на графике. Способов определения меры расстояния между кластерами, называемой еще мерой близости, существует несколько. Наиболее распространенный способ - вычисление евклидова расстояния между двумя точками i и j на плоскости, когда известны их координаты X и Y:
(13.1)
Примечание: чтобы узнать расстояние между двумя точками, надо взять разницу их координат по каждой оси, возвести ее в квадрат, сложить полученные значения для всех осей и извлечь квадратный корень из суммы.
Когда осей больше, чем две, расстояние рассчитывается таким образом: сумма квадратов разницы координат состоит из стольких слагаемых, сколько осей (измерений) присутствует в нашем пространстве. Например, если нам нужно найти расстояние между двумя точками в пространстве трех измерений (такая ситуация представлена на рис. 13.2), формула (13.1) приобретает вид:
(13.2)
Рис. 13.2. Расстояние между двумя точками в пространстве трех измерений
Кластер имеет следующие математические характеристики: центр, радиус, среднеквадратическое отклонение, размер кластера.
Центр кластера - это среднее геометрическое место точек в пространстве переменных.
149
Радиус кластера - максимальное расстояние точек от центра кластера.
Как было отмечено в одной из предыдущих лекций, кластеры могут быть перекрывающимися. Такая ситуация возникает, когда обнаруживается перекрытие кластеров. В этом случае невозможно при помощи математических процедур однозначно отнести объект к одному из двух кластеров. Такие объекты называют спорными.
Спорный объект - это объект, который по мере сходства может быть отнесен к нескольким кластерам.
Размер кластера может быть определен либо по радиусу кластера, либо по среднеквадратичному отклонению объектов для этого кластера. Объект относится к кластеру, если расстояние от объекта до центра кластера меньше радиуса кластера. Если это условие выполняется для двух и более кластеров, объект является спорным.
Неоднозначность данной задачи может быть устранена экспертом или аналитиком.
Работа кластерного анализа опирается на два предположения. Первое предположение - рассматриваемые признаки объекта в принципе допускают желательное разбиение пула (совокупности) объектов на кластеры. В начале лекции мы уже упоминали о сравнимости шкал, это и есть второе предположение - правильность выбора масштаба или единиц измерения признаков.
Выбор масштаба в кластерном анализе имеет большое значение. Рассмотрим пример. Представим себе, что данные признака х в наборе данных А на два порядка больше данных признака у: значения переменной х находятся в диапазоне от 100 до 700, а значения переменной у - в диапазоне от 0 до 1.
Тогда, при расчете величины расстояния между точками, отражающими положение объектов в пространстве их свойств, переменная, имеющая большие значения, т.е. переменная х, будет практически полностью доминировать над переменной с малыми значениями, т.е. переменной у. Таким образом из-за неоднородности единиц измерения признаков становится невозможно корректно рассчитать расстояния между точками.
Эта проблема решается при помощи предварительной стандартизации переменных. Стандартизация (standardization) или нормирование (normalization) приводит значения всех преобразованных переменных к единому диапазону значений путем выражения через отношение этих значений к некой величине, отражающей определенные свойства конкретного признака. Существуют различные способы нормирования исходных данных.
Два наиболее распространенных способа:
∙деление исходных данных на среднеквадратичное отклонение соответствующих переменных;
∙вычисление Z-вклада или стандартизованного вклада.
Наряду со стандартизацией переменных, существует вариант придания каждой из них определенного коэффициента важности, или веса, который бы отражал значимость соответствующей переменной. В качестве весов могут выступать экспертные оценки, полученные в ходе опроса экспертов - специалистов предметной области. Полученные произведения нормированных переменных на соответствующие веса позволяют получать
150