CLUSTERING

Data Analysis, Clustering Methods, Hierarchical Classification · course

Voir tous les documents en intelligence artificielle et données

CLUSTERING

Objet

Méthodes

La classification hierarchique ascendante

Le partitionnement

Introduction

• Méthodes de l’analyse mutidimentionnelle/multivariée

• Compraison entre les méthodes en composantes

principale et le clustering

• Différentes approche de clustering, dont:

•  Classification hierarchique: créer un regroupement hierarchique des

individus selon certains critères (e.g., WARD)

•  Partionnement: construire plusieurs partitions puis les évaluer selon

certains critères (e.g. K-mean)

Objet du clustering

Regrouper des individus selon

leur similarité en un nombre fini

de classes.

Métrique de similarité /

dissemblance

Qualité de la partition

Notion de similarité

1- Similarité entre individus:

Distances comme mesure de similarité:

la distance entre deux individus i et j:

d(i, j) =

λ

λ

| xki − xkj |

K

k=1

Cette distance de Minkowski donne :

•  λ = 2: distance Euclidienne

•  λ=1 distance de Manhattan

0

d(2,1)

)

d(3,1

:

0

d

)2,3(

:

0

:

nd

)1,(

nd

)2,(

...

...

0

Publicité

Comparaison de deux distances:

Données

Matrice distance:

mesure Euclidienne

Matrice de distance:

Mesure Manhattan

Les deux distances donne des mesures de similarité différentes

Quelle mesure de distance choisir?

Il est préconisé d’utilisé la distance euclidienne pour pouvoir

combiner le clustering avec les méthodes de composantes

principales

2- Similarité entre les groupes:

Pour pouvoir construire un dendogram la similarité ou la dissemblance

entre groupe d’individus devrait être définie.

Lien simple

Lien complet

Définition de similarité entre clusters:

•  Lien simple: distance entre les deux points les plus proches dans les

deux groupe A et B

•  Le lien complet: la plus grande distance entre un élément de A et un

élément de B.

Cette définition de mesure de similarité peut être appliquée

pour toute les mesure de distances.

Pour la distance Euclidienne d’autres possibilité sont présentes:

Soient A et B deux groupe d’individus et GA et GB leur centre de gravité et

soit G le centre de gravité de

A ∪ B

La mesure de la similarité/dissemblance entre A et B pourrait se basée sur

l’approche de:

1.  Distance: d(GA,GB)

2.  Inertie entre cluster: de {GA,GB} par rapport à G

Classification hiérarchique ascendante

C’est une méthode dont l’objet est de

construire un arbre hiérarchique

(dendrogram) représentant le lien entre

les individus: visualiser la variabilité

contenue dans les données.

Chaque branche de l’arbre regroupe

les individus d’un groupe polythétique:

1.  Chaque élément du groupe

possède un grand nombre de

Publicité

caractéristiques

2.  Chaque caractéristique est

possédée par un grand nombre

d’individus au sein du groupe

Exemple de regroupement de

cinq individus par rapport à la

distance Euclidienne (index)

Index de hiérarchisation:

Le regroupement de individus se fait par rapport à un critère (index) spécifique

choisi d’avance.

I.  Algorithme d'agglomération classique: Indice de distance:

1.  Calculer la matrice de distance D

2.  Regrouper les individu i et j les plus proche; un nouvel élément (i,j) est

créé;

3.  Mettre à jour D en enlevant les colonnes et les lignes relatives à i et j

et les remplaçant par une ligne et une colonne pour le nouveau

élément (i,j); on obtient une nouvelle matrice D1

4.  Refaire à partir de l’étape 2 la même procédure sur la nouvelle

matrice.

Source: François Husson “Classification ascendante hiérarchique (CAH)”

Hiérarchie et partition:

Chaque arbre hiérarchique peut être

considéré comme une séquence de

partitions imbriquées allant du plus

précis (dans lequel chaque individu est

une classe) au plus général (dans

lequel il n'y a qu'une seule classe).

La coupe en A définit une partition en

deux groupes {1,2,3,4} et {5,6,7,8};

La coupe en B définit une partition

plus précise en quatre groupes {1, 2},

{3, 4}, {5, 6} et {7, 8}.

Par construction, ces partitions sont

imbriquées: chaque cluster de niveau

B est inclus dans le même cluster au

niveau A.

2- Méthode WARD (Ward’s minimum variance method)

A chaque étape du processus, regrouper deux éléments (individus isolés ou

pré-classés) en maximisant la qualité de la partition obtenue: en minimisant

l’inertie intra-classe.

Qualité d’une partition:

Une partition est de bonne qualité ssi:

les individus dans chaque cluster sont homogènes (faible variabilité intra-

cluster)

les individus dans différents clusters sont très différents (forte variabilité

entre cluster)

Dans un espace Euclidien, on peut appliquer le théorème de Huygens:

Inertie totale = inertie entre cluster + inertie intra-cluster

Pour expliciter cette notion, on écrit la décomposition de Huygens pour le cas d’une

seule variable:

Inertie totale

Inertie inter-classe

Utiliser l’inertie comme mesure de variabilité et comme critère de

Publicité

regroupement, revient à :

Minimiser la variabilité intra-cluster Maximiser la variabilité entre cluster

Ainsi la qualité de partition peut être mesurer par :

Or:

0 <

Inertie int er − cluster

Inertie totale

< 1

Inertie int er − cluster

Inertie totale

∀q xq = x

•  Si le rapport tend vers 0, alors ne permet pas de classifier

•  Si le rapport tend vers 1, alors possibilité de classsifier

∀q xiq = xq

Regroupement selon l’inertie:

Comment regrouper deux clusters?

On choisit les deux clusters à regrouper tels que la variation

(l’augmentation) de l’inertie intra-cluster est minimisée; ce qui

revient à minimiser la diminution de l’inertie inter-cluster;

Formellement:

Soit les cluster P et Q de centres de gravité Gp et GQ et de

taille IP et IQ respectivement.

Inertie(P) + Inertie(Q) = Inertie(P ∪Q) −

IPIQ

IP + IQ

d 2 (GP, GQ )

La variation de l’inertie suite au regroupement de P et Q est

égale:

Δ(P,Q) =

IPIQ

IP + IQ

d 2 (GP, GQ )

Choisir P et Q tel que

est minimum, revient à choisir les

clusters dont:

Δ(P,Q)

les centres de gravité sont les

plus proches

d 2 (GP, GQ ) petite

la taille est la plus petite

IPIQ

IP + IQ

est minimale

Partitionnement: K-means methode

18

Soit: la partition des individus à l'étape n de l'algorithme et soit

Pn

Δn =

inertie int er − cluster

inertie totale

P0

1.  Etape 0: on considérer une partition en k groupes; le nombre de groupe est

fixé d’avance; on calcule

Publicité

Δ0

A chaque étape n de l’algorithme:

2. on calcule le centre de gravité pour chaque cluster q de

gn (q)

Pn

3. On affecte chaque individus au cluster q dont le centre de gravité est le plus

Δn+1

proche. On obtient une nouvelle partition et on calcule

Pn+1

Δn+1 − Δn > seuil

4. tant que ( càd la partition est meilleure que ) alors on

recommence le processus depuis l’étape 2; sinon la partition est la partiton

optimale

Pn+1

Pn+1

Pn

Exemple d’une partition en trois classes:

19

Etape 0: Choisir au hasard le

centre de classes d’une

partition

Etape1: affecter chaque

individus à la classe don’t le

centre est le plus proche

Etape 3: Déplacer l’ancien

centre vers le nouveau centre

de gravité des nouvelles

classes

Etape 4: réaffecter les individus

aux classe don’t le centre est le

plus proche

Etape 5: rechercher les

nouveaux centres de gravité

Etape 6: recommencer le

processus jusqu’à stabilisation

des centres de gravité

20

Exemple 4: HCPC

Réferences

21

Cette présentation a été largement inspirée par les travaux suivants:

1.  Husson, F., Lê, S., & Pagès, J. (2017). Exploratory multivariate analysis by

example using R. Chapman and Hall/CRC.

2.  Escofier, B., & Pagès, J. (2008). Analyses factorielles simples et multiples.

Objectifs méthodes et interprétation (pp. 328-p). Dunod.

3.  Husson, F., Josse, J., & Pages, J. (2010). Principal component methods-

hierarchical clustering-partitional clustering: why would we need to choose for

visualizing data. Applied Mathematics Department.

4.  Pagès, J. (2004). Analyse factorielle de données mixtes. Revue de statistique

appliquée, 52(4), 93-111.