ФАКУЛЬТЕТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ
Курсовая работа
по дисциплине: Многомерные статистические методы
на тему:
Кластерный анализ. Расстояние между объектами.
Расстояние между кластерами.
Студент 3 курса Адыгамова Н.К.
Научный руководитель
КАЗАНЬ 2010
Оглавление
Введение……..……………………………………….……..3
ГЛАВА 1. Многомерные статистические методы….…….4
1.1 Введение в кластерный анализ..……………..….…….4
1.2 Задача кластерного анализа…………...……….……...7
1.3 Методы кластерного анализа………………………...11
ГЛАВА 2. Расстояние между объектами. Расстояние между кластерами………………………………………………...13
2.1 Расстояние между объектами (клстерами) и мера близости…………………………………………………..13
2.2 Расстояние между кластерами……………………….18
ГЛАВА 3. Применение кластерного анализа………………..21
Заключение……………………………………………..28
Список использованной литературы…………………29
Введение
При анализе и прогнозировании социально-экономических явлений исследователь довольно часто сталкивается с многомерностью их описания. Это происходит при решении задачи сегментирования рынка, построении типологии стран по достаточно большому числу показателей, прогнозирования конъюнктуры рынка отдельных товаров, изучении и прогнозировании экономической депрессии и многих других проблем.
Методы многомерного анализа - наиболее действенный количественный инструмент исследования социально-экономических процессов, описываемых большим числом характеристик. К ним относятся и кластерный анализ.
Цель данной работы является изучение теоретических аспектов кластерного анализа, ознакомление с практическим применением кластерного анализа и исследование расстояния между объектами и кластерами.
Курсовая работа включает в себя теоретическую часть, в которой рассматриваются задачи курса многомерных статистических методов и производится излагание основной части работы - описание класстерного анализа, а также практичская часть работы.
Таким образом, кластерный анализ – объект изучения в данной курсовой работе.
1. Многомерные статистические методы.
Многомерные статистические методы изучает основные теоритические положения наиболее часто встречаемых в практике экономического анализа, исследование зависимости (корреляционный и регриссионный анализы), снижение размерностей (компонентный анализ) и классификации (кластерный анализ).
Классификация методов статистического исследования по конечной цели исследования:
1. Установление самого факта наличия (или отсутствия) статистически значимой связи между исследуемыми переменными
2. Прогноз (восстановление) неизвестных значений интересующих нас индивидуальных или средних исследуемых результирующих показателей по данным значениям объясняющих переменных.
3. Выявление причинных связей между объясняющими переменными и результирующими показателями, частичное управление значениями зависимой переменной путем регулирования величин объясняющих переменных.
1.1 Введение в кластерный анализ
Кластерный анализ наиболее ярко отражает черты многомерного анализа в классификации, факторный анализ – в исследовании связи.
Иногда подход кластерного анализа называют в литературе численной таксономией, численной классификацией, распознаванием с самообучением и т.д.
Первое применение кластерный анализ нашел в социологии. Название кластерный анализ происходит от английского слова cluster – гроздь, скопление. Впервые в 1939 был определен предмет кластерного анализа и сделано его описание исследователем Трионом. Главное назначение кластерного анализа – разбиение множества исследуемых объектов и признаков на однородные в соответствующем понимании группы или кластеры. Это означает, что решается задача классификации данных и выявления соответствующей структуры в ней. Методы кластерного анализа можно применять в самых различных случаях, даже в тех случаях, когда речь идет о простой группировке, в которой все сводится к образованию групп по количественному сходству.
Большое достоинство кластерного анализа в том, что он позволяет производить разбиение объектов не по одному параметру, а по целому набору признаков. Кроме того, кластерный анализ в отличие от большинства математико-статистических методов не накладывает никаких ограничений на вид рассматриваемых объектов, и позволяет рассматривать множество исходных данных практически произвольной природы. Это имеет большое значение, например, для прогнозирования конъюнктуры, когда показатели имеют разнообразный вид, затрудняющий применение традиционных эконометрических подходов.
Кластерный анализ позволяет рассматривать достаточно большой объем информации и резко сокращать, сжимать большие массивы социально-экономической информации, делать их компактными и наглядными.
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
Важное 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.
Кластерный анализ можно использовать циклически. В этом случае исследование производится до тех пор, пока не будут достигнуты необходимые результаты. При этом каждый цикл здесь может давать информацию, которая способна сильно изменить направленность и подходы дальнейшего применения кластерного анализа. Этот процесс можно представить системой с обратной связью.
В задачах социально-экономического прогнозирования весьма перспективно сочетание кластерного анализа с другими количественными методами (например, с регрессионным анализом).
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 определенные искажения, а также могут теряться индивидуальные черты отдельных объектов за счет замены их характеристиками обобщенных значений параметров кластера. При проведении классификации объектов игнорируется очень часто возможность отсутствия в рассматриваемой совокупности каких-либо значений кластеров.
В кластерном анализе считается, что:
а) выбранные характеристики допускают в принципе желательное разбиение на кластеры;
б) единицы измерения (масштаб) выбраны правильно.
Выбор масштаба играет большую роль. Как правило, данные нормализуют вычитанием среднего и делением на стандартное отклоненение, так что дисперсия оказывается равной единице.
1.2. Задача 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, сос-тоящий из 14-ти примеров, у которых имеется по два признака X и Y. Данные по ним приведены в таблице 1.
|
|
||
| № примера |
признак X |
признак Y |
| 1 |
27 |
19 |
| 2 |
11 |
46 |
| 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. 1.
Рис. 1. Диаграмма рассеивания переменных X и Y
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.
Задача кластерного анализа заключается в том, чтобы на основании данных, содержащихся во множестве Х, разбить множество объектов G на m (m – целое) кластеров (подмножеств) Q1, Q2, …, Qm, так, чтобы каждый объект Gj принадлежал одному и только одному подмножеству разбиения и чтобы объекты, принадлежащие одному и тому же кластеру, были сходными, в то время, как объекты, принадлежащие разным кластерам были разнородными.
Например, пусть G включает n стран, любая из которых характеризуется ВНП на душу населения (F1), числом М автомашин на 1 тысячу человек (F2), душевым потреблением электроэнергии (F3), душевым потреблением стали (F4) и т.д. Тогда Х1 (вектор измерений) представляет собой набор указанных характеристик для первой страны, Х2 - для второй, Х3 для третьей, и т.д. Задача заключается в том, чтобы разбить страны по уровню развития.
Решением задачи кластерного анализа являются разбиения, удовлетворяющие некоторому критерию оптимальности. Этот критерий может представлять собой некоторый функционал, выражающий уровни желательности различных разбиений и группировок, который называют целевой функцией. Например, в качестве целевой функции может быть взята внутригрупповая сумма квадратов отклонения:
где xj - представляет собой измерения j-го объекта.
Для решения задачи кластерного анализа необходимо определить понятие сходства и разнородности.
Понятно то, что объекты i-ый и j-ый попадали бы в один кластер, когда расстояние (отдаленность) между точками Хi и Хj было бы достаточно маленьким и попадали бы в разные кластеры, когда это расстояние было бы достаточно большим. Таким образом, попадание в один или разные кластеры объектов определяется понятием расстояния между Хi и Хj из Ер, где Ер - р-мерное евклидово пространство. Неотрицательная функция d(Хi , Хj) называется функцией расстояния (метрикой), если:
а) d(Хi , Хj) ³ 0, для всех Хi и Хj из Ер
б) d(Хi, Хj) = 0, тогда и только тогда, когда Хi = Хj
в) d(Хi, Хj) = d(Хj, Хi)
г) d(Хi, Хj) £ d(Хi, Хk) + d(Хk, Хj), где Хj; Хi и Хk - любые три вектора из Ер.
Значение d(Хi, Хj) для Хi и Хj называется расстоянием между Хi и Хj и эквивалентно расстоянию между Gi и Gj соответственно выбранным характеристикам (F1, F2, F3, ..., Fр).
Наиболее часто употребляются следующие функции расстояний:
1. Евклидово расстояние d2(Хi , Хj) =
2. l1 - норма d1(Хi , Хj) =
3. Сюпремум - норма d¥ (Хi , Хj) = sup
k = 1, 2, ..., р
4. lp - норма dр(Хi , Хj) =
Евклидова метрика является наиболее популярной. Метрика l1 наиболее легкая для вычислений. Сюпремум-норма легко считается и включает в себя процедуру упорядочения, а lp - норма охватывает функции расстояний 1, 2, 3,.
Пусть n измерений Х1, Х2,..., Хn представлены в виде матрицы данных размером p ´ n:
Тогда расстояние между парами векторов d(Хi , Хj) могут быть представлены в виде симметричной матрицы расстояний:
Понятием, противоположным расстоянию, является понятие сходства между объектами Gi. и Gj. Неотрицательная вещественная функция S(Хi ; Хj) = Sij называется мерой сходства, если :
1) 0£ S(Хi , Хj)<1 для Хi ¹ Хj
2) S(Хi , Хi) = 1
3) S(Хi , Хj) = S(Хj , Хi)
Пары значений мер сходства можно объединить в матрицу сходства:
Величину Sij называют коэффициентом сходства.
1.3. Методы кластерного анализа.
Сегодня существует достаточно много методов кластерного анализа. Остановимся на некоторых из них (ниже приводимые методы принято называть методами минимальной дисперсии).
Пусть Х - матрица наблюдений: Х = (Х1, Х2,..., Хu) и квадрат евклидова расстояния между Хi и Хj определяется по формуле:
1) Метод полных связей.
Суть данного метода в том, что два объекта, принадлежащих одной и той же группе (кластеру), имеют коэффициент сходства, который меньше некоторого порогового значения S. В терминах евклидова расстояния d это означает, что расстояние между двумя точками (объектами) кластера не должно превышать некоторого порогового значения h. Таким образом, h определяет максимально допустимый диаметр подмножества, образующего кластер.
2) Метод максимального локального расстояния.
Каждый объект рассматривается как одноточечный кластер. Объекты группируются по следующему правилу: два кластера объединяются, если максимальное расстояние между точками одного кластера и точками другого минимально. Процедура состоит из n - 1 шагов и результатом являются разбиения, которые совпадают со всевозможными разбиениями в предыдущем методе для любых пороговых значений.
3) Метод Ворда.
В этом методе в качестве целевой функции применяют внутригрупповую сумму квадратов отклонений, которая есть ни что иное, как сумма квадратов расстояний между каждой точкой (объектом) и средней по кластеру, содержащему этот объект. На каждом шаге объединяются такие два кластера, которые приводят к минимальному увеличению целевой функции, т.е. внутригрупповой суммы квадратов. Этот метод направлен на объединение близко расположенных кластеров.
4) Центроидный метод.
Расстояние между двумя кластерами определяется как евклидово расстояние между центрами (средними) этих кластеров:
d2 ij = (`X –`Y)Т(`X –`Y) Кластеризация идет поэтапно на каждом из n–1 шагов объединяют два кластера G и p, имеющие минимальное значение d2ij Если n1 много больше n2, то центры объединения двух кластеров близки друг к другу и характеристики второго кластера при объединении кластеров практически игнорируются. Иногда этот метод иногда называют еще методом взвешенных групп.
2. Расстояние между объектами. Расстояние между кластерами.
2.1. Расстояние между объектами (кластерами) и мера близости
Наиболее трудным и наименее формализованным в задаче классификации является определение понятия однородности объектов. В общем случае понятие однородности объектов задается либо введение правила вычисления расстояний ρ(xi
,xj
) между любой парой исследуемых объектов (х1
, х2
, ... , хn
), либо заданием некоторой функции r(xi
,xj
), характеризующей степень близости i-го и j-го объектов. Если задана функция ρ(xi
,xj
), то близкие с точки зрения этой метрики объекты считаются однородными, принадлежащими к одному классу. Очевидно, что необходимо при этом сопоставлять ρ(хi
,xj
) с некоторыми пороговыми значениями, определяемыми в каждом конкретном случае по-своему.
Аналогично используется и мера близости r(xi
,xj
), при задании которой мы должны помнить о необходимости выполнения следующих условий: симметрии r(xi
,xj
)= r(xj
,xi
); максимального сходства объекта с самим собой r(xi
,xi
)= r(xi
,xj
), при 1≤ i,j≤n, и монотонного убывания r(xi
,xj
) по мере увеличения ρ(xi
,xj
), т.е. из ρ(xk
,xl
)≥ρ (xi
,xj
) должно следовать неравенство r(xk
,xl
)≤r(xi
,xj
).
Выбор метрики или меры близости является узловым моментом иссле-дования, от которого в основном зависит окончательный вариант разбиения объектов на классы при данном алгоритме разбиения. В каждом конкретном случае этот выбор должен производиться по-своему в зависимости от целей исследования, физической и статистической природы вектора наблюдений Х, априорных сведений о характере вероятностного распределения Х.
Рассмотрим наиболее широко используемые в задачах кластерного анализа расстояния и меры близости.
Обычное Евклидово расстояние
(1.1)
где хie,
, xje
- величина е-ой компоненты у i-го (j-го) объекта (е=1,2,...,к, i,j=1,2,...,n)
Использование этого расстояния оправдано в следующих случаях:
а) наблюдения берутся из генеральной совокупности, имеющей многомерное нормальное распределение с ковариационной матрицей вида σ2
Ек
, т.е. компоненты Х взаимно независимы и имеют одну и ту же дисперсию, где Ек
- единичная матрица;
б) компоненты вектора наблюдений Х однородны по физическому смыслу и одинаково важны для классификации;
в) признаковое пространство совпадает с геометрическим пространством.
Естественное с геометрической точки зрения евклидово пространство может оказаться бессмысленным (с точки зрения содержательной интерпретации), если признаки измерены в разных единицах. Чтобы исправить положение, прибегают к нормированию каждого признака путем деления центрированной величины на среднее квадратическое отклонение и переходят от матрицы Х к нормированной матрице с элементами
где - значение e-го признака у i-го объекта
- среднее значение e-го признака;
- среднее квадратическое отклонение е-го признака.
Однако эта операция может привести к нежелательным последствиям. Если кластеры хорошо разделены по одному признаку и не разделены по другому, то после нормирования дискриминирующие возможности первого признака будут уменьшены в связи с увеличением “шумового” эффекта второго.
“Взвешенное” Евклидово пространство
(1.2)
применяется в тех случаях, когда каждой компоненте xl
вектора наблюдений X удается приписать некоторый “вес” ωl
, пропорционально степени важности признака в задаче классификации. Обычно принимают 0≤ωe
≤1, где e=1,2,...k.
Определение “весов”, как правило, связано с дополнительными исследованиями
только по данным выборки может привести к ложным выводам.
Хеммингово расстояние
Используется как мера различия объектов, задаваемых дихотомическими признаками. Это расстояние определяется по формуле
(1.3)
и равно числу несовпадений значений соответствующих признаков в рассматриваемых i-м и j-м объектах.
В некоторых задачах классификации объектов в качестве меры близости объектов можно использовать некоторые физические содержательные параметры, так или иначе характеризующие взаимоотношения между объектами. Например, задачу классификации отраслей народного хозяйства с целью агрегирования решают на основе матрицы межотраслевого баланса [1].
В данной задаче объектом классификации является отрасль народного хозяйства, а матрица межотраслевого баланса представлена элементами sij
, характеризующими сумму годовых поставок i-ой отрасли в j-ю в денежном выражении. В качестве меры близости {rij
} принимают симметризованную нормированную матрицу межотраслевого баланса. С целью нормирования денежное выражение поставок i-ой отрасли в j-ю заменяют долей этих поставок по отношению ко всем поставкам i-ой отрасли. Симметризацию же нормированной матрицы межотраслевого баланса можно проводить, выразив близость между i-й и j-й отраслями через среднее значение из взаимных поставок, так что в этом случае rij
=rji
.
Как правило, решение задач классификации многомерных данных предусматривает в качестве предварительного этапа исследования реализацию методов, позволяющих выбрать из компонент х1
, х2
, ..., хк
наблюдаемых векторов Х сравнительно небольшое число наиболее существенно информативных, т.е. уменьшить размерность наблюдаемого пространства.
В ряде процедур классификации (кластер-процедур) используют понятия расстояния между группами объектов и меры близости двух групп объектов.
Пусть si
- i-я группа (класс, кластер), состоящая из ni
объектов;
Їxi
- среднее арифметическое векторных наблюдений si
группы, т.е. "центр тяжести" i-й группы; ρ(sl
,sm
) - расстояние между группами sl
и sm
.
Наиболее употребительными расстояниями и мерами близости между классами объектов являются:
- расстояние, измеряемое по принципу “ближайшего соседа”
(1.4)
- расстояние, измеряемого по принципу “дальнего соседа”
(1.5)
- расстояние, измеряемое по “центрам тяжести” групп
(1.6)
- расстояние, измеряемое по принципу “средней связи”, определяется как среднее арифметическое всех попарных расстояний между представителями рассматриваемых групп
(1.7)
Академиком А.Н.Колмогоровым было предложено “обобщенное расстояние” между классами, которое включает в себя в качестве частных случаев все рассмотренные выше виды расстояний.
Расстояния между группами элементов особенно важно в так называемых агломеративных иерархических кластер-процедурах, так как принцип работы таких алгоритмов состоит в последовательном объединении элементов, а затем и целых групп, сначала самых близких, а затем все более и более отдаленных друг от друга.
При этом расстояние между классами sl
и s(m,q)
, являющиеся объединением двух других классов sm
и sq
, можно определить по формуле
(1.8)
где ρρ
- расстояния между классами sl
, sm
и sq
;
- α, β, δ и γ - числовые коэффициенты, значения которых определяют специфику процедуры, ее алгоритм.
Например, при α= β=-δ=1/2и γ=0 приходим к расстоянию, построенному по принципу “ближайшего соседа”. При α= β=δ=1/2 и γ=0 - расстояние между классами определяется по принципу “дальнего соседа”, то есть как расстояние между двумя самыми дальними элементами этих классов.
И, наконец, при
γ=δ=0
соотношение (1.8) приводит к расстоянию ρср
между классами, вычисленному как среднее из расстояний между всеми парами элементов, один из которых берется из одного класса, а другой из другого.
Для вычисления расстояния между объектами используются различные меры сходства (меры подобия), называемые также метриками или функциями расстояний. В начале лекции мы рассмотрели евклидово расстояние, это наиболее популярная мера сходства.
Квадрат евклидова расстояния.
Для придания больших весов более отдаленным друг от друга объектам можем воспользоваться квадратом евклидова расстояния путем возведения в квадрат стандартного евклидова расстояния.
Манхэттенское расстояние (расстояние городских кварталов), также называемое "хэмминговым" или "сити-блок" расстоянием.
Это расстояние рассчитывается как среднее разностей по координатам. В большинстве случаев эта мера расстояния приводит к результатам, подобным расчетам расстояния евклида. Однако, для этой меры влияние отдельных выбросов меньше, чем при использовании евклидова расстояния, поскольку здесь координаты не возводятся в квадрат.
Расстояние Чебышева. Это расстояние стоит использовать, когда необходимо определить два объекта как "различные", если они отличаются по какому-то одному измерению.
Процент несогласия. Это расстояние вычисляется, если данные являются категориальными.
2.2. Расстояние между кластерами
Когда каждый объект представляет собой отдельный кластер, расстояния между этими объектами определяются выбранной мерой. Возникает следующий вопрос - как определить расстояния между кластерами?
Существуют различные правила, называемые методами объединения или связи для двух кластеров.
Метод ближнего соседа или одиночная связь. Здесь расстояние между двумя кластерами определяется расстоянием между двумя наиболее близкими объектами (ближайшими соседями) в различных кластерах. Этот метод позволяет выделять кластеры сколь угодно сложной формы при условии, что различные части таких кластеров соединены цепочками близких друг к другу элементов. В результате работы этого метода кластеры представляются длинными "цепочками" или "волокнистыми" кластерами, "сцепленными вместе" только отдельными элементами, которые случайно оказались ближе остальных друг к другу.
Метод наиболее удаленных соседей или полная связь. Здесь расстояния между кластерами определяются наибольшим расстоянием между любыми двумя объектами в различных кластерах (т.е. "наиболее удаленными соседями"). Метод хорошо использовать, когда объекты действительно происходят из различных "рощ". Если же кластеры имеют в некотором роде удлиненную форму или их естественный тип является "цепочечным", то этот метод не следует использовать.
Метод Варда (Ward's method). В качестве расстояния между кластерами берется прирост суммы квадратов расстояний объектов до центров кластеров, получаемый в результате их объединения (Ward, 1963). В отличие от других методов кластерного анализа для оценки расстояний между кластерами, здесь используются методы дисперсионного анализа. На каждом шаге алгоритма объединяются такие два кластера, которые приводят к минимальному увеличению целевой функции, т.е. внутригрупповой суммы квадратов. Этот метод направлен на объединение близко расположенных кластеров и "стремится" создавать кластеры малого размера.
Метод невзвешенного попарного среднего (метод невзвешенного попарного арифметического среднего - unweighted pair-group method using arithmetic averages, UPGMA (Sneath, Sokal, 1973)).
В качестве расстояния между двумя кластерами берется среднее расстояние между всеми парами объектов в них. Этот метод следует использовать, если объекты действительно происходят из различных "рощ", в случаях присутствия кластеров "цепочного" типа, при предположении неравных размеров кластеров.
Метод взвешенного попарного среднего (метод взвешенного попарного арифметического среднего - weighted pair-group method using arithmetic averages, WPGM A (Sneath, Sokal, 1973)). Этот метод похож на метод невзвешенного попарного среднего, разница состоит лишь в том, что здесь в качестве весового коэффициента используется размер кластера (число объектов, содержащихся в кластере).
Этот метод рекомендуется использовать именно при наличии предположения о кластерах разных размеров.
Невзвешенный центроидный метод (метод невзвешенного попарного центроидного усреднения - unweighted pair-group method using the centroid average (Sneath and Sokal, 1973)).
В качестве расстояния между двумя кластерами в этом методе берется расстояние между их центрами тяжести.
Взвешенный центроидный метод (метод взвешенного попарного центроидного усреднения - weighted pair-group method using the centroid average, WPGMC (Sneath, Sokal 1973)). Этот метод похож на предыдущий, разница состоит в том, что для учета разницы между размерами кластеров (числе объектов в них), используются веса. Этот метод предпочтительно использовать в случаях, если имеются предположения относительно существенных отличий в размерах кластеров.
3. Применение кластерного анализа.
Рассмотрим некоторые приложения кластерного анализа.
Деление стран на группы по уровню развития.
Изучались 65 стран по 31 показателю (национальный доход на душу населения, доля населения занятого в промышленности в %, накопления на душу населения, доля населения, занятого в сельском хозяйстве в %, средняя продолжительность жизни, число автомашин на 1 тыс. жителей, численность вооруженных сил на 1 млн. жителей, доля ВВП промышленности в %, доля ВВП сельского хозяйства в %, и т.д.)
Каждая из стран выступает в данном рассмотрении как объект, характеризуемый определенными значениями 31 показателя. Соответственно они могут быть представлены в качестве точек в 31-мерном пространстве. Такое пространство обычно называется пространством свойств изучаемых объектов. Сравнение расстояния между этими точками будет отражать степень близости рассматриваемых стран, их сходство друг с другом. Социально-экономический смысл подобного понимания сходства означает, что страны считаются тем более похожими, чем меньше различия между одноименными показателями, с помощью которых они описываются.
Первый шаг подобного анализа заключается в выявлении пары народных хозяйств, учтенных в матрице сходства, расстояние между которыми является наименьшим. Это, очевидно, будут наиболее сходные, похожие экономики. В последующем рассмотрении обе эти страны считаются единой группой, единым кластером. Соответственно исходная матрица преобразуется так, что ее элементами становятся расстояния между всеми возможными парами уже не 65, а 64 объектами – 63 экономики и вновь преобразованного кластера – условного объединения двух наиболее похожих стран. Из исходной матрицы сходства выбрасываются строки и столбцы, соответствующие расстояниям от пары стран, вошедших в объедение, до всех остальных, но зато добавляются строка и столбец, содержащие расстояние между кластером, полученным при объединении и прочими странами.
Расстояние между вновь полученным кластером и странами полагается равным среднему из расстояний между последними и двумя странами, которые составляют новый кластер. Иными словами, объединенная группа стран рассматривается как целое с характеристиками, примерно равными средним из характеристик входящих в него стран.
Второй шаг анализа заключается в рассмотрении преобразованной таким путем матрицы с 64 строками и столбцами. Снова выявляется пара экономик, расстояние между которыми имеет наименьшее значение, и они, так же как в первом случае, сводятся воедино. При этом наименьшее расстояние может оказаться как между парой стран, так и между какой-либо страной и объединением стран, полученным на предыдущем этапе.
Дальнейшие процедуры аналогичны описанным выше: на каждом этапе матрица преобразуется так, что из нее исключаются два столбца и две строки, содержащие расстояние до объектов (пар стран или объединений – кластеров), сведенных воедино на предыдущей стадии; исключенные строки и столбцы заменяются столбцом и строкой, содержащими расстояния от новых объединений до остальных объектов; далее в измененной матрице выявляется пара наиболее близких объектов. Анализ продолжается до полного исчерпания матрицы (т. е. до тех пор, пока все страны не окажутся сведенными в одно целое). Обобщенные результаты анализа матрицы можно представить в виде дерева сходства (дендограммы), подобного описанному выше, с той лишь разницей, что дерево сходства, отражающее относительную близость всех рассматриваемых нами 65 стран, много сложнее схемы, в которой фигурирует только пять народных хозяйств. Это дерево в соответствии с числом сопоставляемых объектов включает 65 уровней. Первый (нижний) уровень содержит точки, соответствующие каждых стране в отдельности. Соединение двух этих точек на втором уровне показывает пару стран, наиболее близких по общему типу народных хозяйств. На третьем уровне отмечается следующее по сходству парное соотношение стран (как уже упоминалось, в таком соотношении может находиться либо новая пара стран, либо новая страна и уже выявленная пара сходных стран). И так далее до последнего уровня, на котором все изучаемые страны выступают как единая совокупность.
В результате применения кластерного анализа были получены следующие пять групп стран:
афро-азиатская группа;
латино-азиатская группа;
латино-среднеземнаморская группа;
группа развитых капиталистических стран (без США)
США
Введение новых индикаторов сверх используемого здесь 31 показателя или замена их другими, естественно, приводят к изменению результатов классификации стран.
2. Деление стран по критерию близости культуры.
Как известно маркетинг должен учитывать культуру стран (обычаи, традиции, и т.д.).
Посредством кластеризации были получены следующие группы стран:
арабские;
ближневосточные;
скандинавские;
германоязычные;
англоязычные;
романские европейские;
латиноамериканские;
дальневосточные.
3. Разработка прогноза конъюнктуры рынка цинка.
Кластерный анализ играет важную роль на этапе редукции экономико-математической модели товарной конъюнктуры, способствуя облегчению и упрощению вычислительных процедур, обеспечению большей компактности получаемых результатов при одновременном сохранении необходимой точности. Применение кластерного анализа дает возможность разбить всю исходную совокупность показателей конъюнктуры на группы (кластеры) по соответствующим критериям, облегчая тем самым выбор наиболее репрезентативных показателей.
Кластерный анализ широко используется для моделирования рыночной конъюнктуры. Практически основное большинство задач прогнозирования опирается на использование кластерного анализа.
Например, задача разработки прогноза конъюнктуры рынка цинка.
Первоначально было отобрано 30 основных показателей мирового рынка цинка:
Х1 - время
Показатели производства:
Х2 - в мире
Х3 - США
Х4 - Европе
Х5 - Канаде
Х6 - Японии
Х7 - Австралии
Показатели потребления:
Х8 - в мире
Х9 - США
Х10 - Европе
Х11 - Канаде
Х12 - Японии
Х13 - Австралии
Запасы цинка у производителей:
Х14 - в мире
Х15 - США
Х16 - Европе
Х17 - других странах
Запасы цинка у потребителей:
Х18 - в США
Х19 - в Англии
Х10 - в Японии
Импорт цинковых руд и концентратов (тыс. тонн)
Х21 - в США
Х22 - в Японии
Х23 - в ФРГ
Экспорт цинковых руд и концентратов (тыс. тонн)
Х24 - из Канады
Х25 - из Австралии
Импорт цинка (тыс. тонн)
Х26 - в США
Х27 - в Англию
Х28 - в ФРГ
Экспорт цинка (тыс. Тонн)
Х29 - из Канады
Х30 - из Австралии
Для определения конкретных зависимостей был использован аппарат корреляционно-регрессионного анализа. Анализ связей производился на основе матрицы парных коэффициентов корреляции. Здесь принималась гипотеза о нормальном распределении анализируемых показателей конъюнктуры. Ясно, что rij являются не единственно возможным показателем связи используемых показателей. Необходимость использования кластерного анализа связано в этой задаче с тем, что число показателей влияющих на цену цинка очень велико. Возникает необходимость их сократить по целому ряду следующих причин:
а) отсутствие полных статистических данных по всем переменным;
б) резкое усложнение вычислительных процедур при введении в модель большого числа переменных;
в) оптимальное использование методов регрессионного анализа требует превышения числа наблюдаемых значений над числом переменных не менее, чем в 6-8 раз;
г) стремление к использованию в модели статистически независимых переменных и пр.
Проводить такой анализ непосредственно на сравнительно громоздкой матрице коэффициентов корреляции весьма затруднительно. С помощью кластерного анализа всю совокупность конъюнктурных переменных можно разбить на группы таким образом, чтобы элементы каждого кластера сильно коррелировали между собой, а представители разных групп характеризовались слабой коррелированностью.
Для решения этой задачи был применен один из агломеративных иерархических алгоритмов кластерного анализа. На каждом шаге число кластеров уменьшается на один за счет оптимального, в определенном смысле, объединения двух групп. Критерием объединения является изменение соответствующей функции. В качестве функции такой были использованы значения сумм квадратов отклонений вычисляемые по следующим формулам:
(j = 1, 2, …, m),
где j - номер кластера, n - число элементов в кластере.
rij - коэффициент парной корреляции.
Таким образом, процессу группировки должно соответствовать последовательное минимальное возрастание значения критерия E.
На первом этапе первоначальный массив данных представляется в виде множества, состоящего из кластеров, включающих в себя по одному элементу. Процесс группировки начинается с объединения такой пары кластеров, которое приводит к минимальному возрастанию суммы квадратов отклонений. Это требует оценки значений суммы квадратов отклонений для каждого из возможных объединений кластеров. На следующем этапе рассматриваются значения сумм квадратов отклонений уже для кластеров и т.д. Этот процесс будет остановлен на некотором шаге. Для этого нужно следить за величиной суммы квадратов отклонений. Рассматривая последовательность возрастающих величин, можно уловить скачок (один или несколько) в ее динамике, который можно интерпретировать как характеристику числа групп «объективно» существующих в исследуемой совокупности. В приведенном примере скачки имели место при числе кластеров равном 7 и 5. Далее снижать число групп не следует, т.к. это приводит к снижению качества модели. После получения кластеров происходит выбор переменных наиболее важных в экономическом смысле и наиболее тесно связанных с выбранным критерием конъюнктуры - в данном случае с котировками Лондонской биржи металлов на цинк. Этот подход позволяет сохранить значительную часть информации, содержащейся в первоначальном наборе исходных показателей конъюнктуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, кластерный анализ – один из методов многомерного анализа, предназначенный для группировки (кластеризации) совокупности элементов, которые характеризуются многими факторами, и получения однородных групп (кластеров). Разбиение на кластеры происходит с помощью некоторой метрики, например, евклидова расстояния. Задача кластерного анализа состоит в представлении исходной информации об элементах в сжатом виде без ее существенной потери.
В результате изучения кластерного анализа были изучены его задачи, достоинства и недостатки, сферы их применения и опыт использования анализа. В ходе выполнения работы ознакомились с ходом проведения кластерного анализа при классификации стран по признакам. Итогом работы стала группировка стран по кластерам, критерием которой стала сравнение значений показателей между объектами.
Список литературы
1. Многомерные статистические методы, Алехин Е.И., 2007 г.
2. Многомерные статистические методы. Часть IV. Кластерный анализ: Учебно-методическое пособие/ Составители: Н.И.Гришакина, В.С.Дмитриева, Н.В.Манова, С.В.Мельникова, О.Д.Притула, Е.А.Антонова, А.В.Кякинен; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2005. – 54 с.
3.. Многомерные статистические методы. Часть V. Дискриминантный анализ: Учебно-методическое пособие/ Составители: Н.И.Гришакина, В.С.Дмитриева, Н.В.Манова, С.В.Мельникова; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2005. – 56 с.
4. Дубров А.М., Мхитарян В.С., Трошин Л.И. Многомерные статистические методы. Учебник. – М.- Финансы и статистика, 2008г.
5. Многомерный статистический анализ в экономике: Учеб. Пособие для ВУЗов/ под ред. Проф. В.Н. Тамашевича., 2009.
6. Многомерный статистический анализ, Дронов С.В., 2005г, 213с.
7. Эконометрика, В.С.Мхиторян, М.Ю.Архипова, В.П.Сиротин, 2008г, 144с