第10章 聚类分析
聚类分析PPT
系统聚类 K-均值聚类
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聚类分析主要用于探索性研究，其分析结果可提供多个可能的解，最终解的选择需 要研究者的主观判断和后续分析
聚类分析的解完全依赖于研究者所选择的聚类变量，增加或删除一些变量对最终解 都可能产生实质性的影响
不管实际数据中是否存在不同的类别，利用聚类分析都能得到分成若干类别的解
聚类分析的概述
1.概念 2.分类 3.注意点
对样本进行分类称为Q型聚类分析 对指标进行分类称为R型聚类分析
聚类分析的概述
1.概念
2.分类
3.注意点 4.操作步骤
从数据挖掘的角度看，又可以大致分为四种：
划分聚类（代表是K-Means算法，也称K-均值聚类算法） 层次聚类 基于密度的聚类 基于网格的聚类
聚类分析的概述
1.概念
2.分类
3.注意点 4.操作步骤
聚类分析的概述
1.概念
2.分类 3.注意点 4.操作步骤
三个特征：
（1）适用于没有先验知识的分类。 （2）可以处理多个变量决定的分类。 （3）是一种探索性分析方法。
聚类分析的概述
1.概念
2.分类
3.注意点 4.操作步骤
从数据分析的角度看，它是对多个样本进行定量分析的多元统计分析方法，可以分为两种：
聚类分析的概述
1.概念
2.分类 3.注意点 4.操作步骤
两个距离概念 按照远近程度来聚类需要明确两个概念： ✓ 点和点念
2.分类 3.注意点 4.操作步骤
在商业上，其被用来发现不同的客户群，并且通过购买模式刻画不同的客户群的特征； 在生物上，其被用来动植物分类和对基因进行分类，获取对种群固有结构的认识； 在电子商务上，聚类分析在电子商务中网站建设数据挖掘中也是很重要的一个方面， 通过分组聚类出具有相似浏览行为的客户，并分析客户的共同特征，可以更好的帮助 电子商务的用户了解自己的客户，向客户提供更合适的服务； 在因特网应用上，聚类分析被用来在网上进行文档归类来修复信息。
聚类分析及其应用实例ppt课件
Outlines
聚类的思想 常用的聚类方法 实例分析：层次聚类
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
3. 实例分析：层次聚类算法
定义：对给定的数据进行层次的分解
第4 步
➢
凝聚的方法（自底向上）『常用』
思想：一开始将每个对象作为单独的
第3 步
一组，然后根据同类相近，异类相异 第2步 的原则，合并对象，直到所有的组合
并成一个，或达到一个终止条件。 第1步
a, b, c, d, e c, d, e d, e
X3 Human（人） X4 Gorilla（大猩猩） X5 Chimpanzee（黑猩猩） X2 Symphalangus（合趾猿） X1 Gibbon（长臂猿）
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
离差平方和法（ ward method ）：
各元素到类中心的欧式距离之和。
Gp
Cluster P
Cluster M
Cluster Q
D2 WM Wp Wq
G q
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
凝聚的层次聚类法举例
Gp G q
Dpq max{ dij | i Gp , j Gq}
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
聚类分析原理及步骤
聚类分析原理及步骤
一，聚类分析概述
聚类分析是一种常用的数据挖掘方法，它将具有相似特征的样本归为
一类，根据彼此间的相似性(相似度)将样本准确地分组为多个类簇，其中
每个类簇都具有一定的相似性。
聚类分析是半监督学习(semi-supervised learning)的一种，半监督学习的核心思想是使用未标记的数据，即在训
练样本中搜集的数据，以及有限的标记数据，来学习模型。
聚类分析是实际应用中最为常用的数据挖掘算法之一，因为它可以根
据历史或当前的数据状况，帮助组织做出决策，如商业分析，市场分析，
决策支持，客户分类，医学诊断，质量控制等等，都可以使用它。
二，聚类分析原理
聚类分析的本质是用其中一种相似性度量方法将客户的属性连接起来，从而将客户分组，划分出几个客户类型，这样就可以进行客户分类、客户
细分、客户关系管理等，更好地实现客户管理。
聚类分析的原理是建立在相似性和距离等度量概念之上：通过对比一
组数据中不同对象之间的距离或相似性，从而将它们分成不同的类簇，类
簇之间的距离越近，则它们之间的相似性越大；类簇之间的距离越远，则
它们之间的相似性越小。
聚类分析的原理分为两类，一类是基于距离的聚类。
第10章神经网络聚类方法
第10章神经网络聚类方法
神经网络聚类方法是一种以神经网络技术为根基，以聚类分析为基础
的分类算法，它可以检测出不同数据之间的相似性，从而将这些数据分类
组织起来。
它的出现主要是为了解决传统聚类方法结果效果不佳的问题。
神经网络聚类方法的基本思想是，将聚类分析问题转化为神经网络模
型的问题，用神经网络解决聚类问题，尤其是使用核函数来表示簇之间的
关系，使用反向传播算法来优化神经网络，得出最优聚类结果。
根据神经网络聚类方法的结构，可以将神经网络聚类方法分为两类：
一种是基于核映射的神经网络聚类，另一种是基于自组织映射的神经网络
聚类。
基于核映射的神经网络聚类的典型代表有核聚类神经网络，它是由一
个输入层、一个隐含层和一个输出层构成的神经网络，它的基本思想是使
用一种核函数来表示簇之间的关系，并用反向传播算法来优化该神经网络，使其能够得出较为精确的聚类结果。
基于自组织映射的神经网络聚类则由一个输入层、一个隐含层和一个
自组织映射(SOM)层构成的神经网络，其基本思想是使用一种自组织映射
函数来表示簇之间的关系，并用反向传播算法来优化该神经网络。
聚类分析(共8张PPT)
聚类分析
三、聚类分析中的测度与标准化
在聚类分析技术的发展过程中，形成了很多种测度相似性的方法。每一种方法 都从不同的角度测度了研究对象的相似性。
在数据采集过程中，一般可以用三种方式采集数据：二分类型数据、等级类型 数据和连续类型数据。在进行聚类分析时可以根据不同的数据特点采用相应的测度 方法。
尽量避免绝对数据。
研究个案 A B C
受教育年限 10 16 6
年收入（万元） 2
1.5 1
年收入（元） 20000 15000 10000
A、B、C在不同距离单位时的距离图
A
B
B
10.01
C
A
10000
C
单位：万元
第6页，共8页。
单位：元
聚类分析
四、常用两种聚类分析方法
1.快速聚类法
快速聚类过程是初始分类的有效方法。适用于大容量样本的情形，由用户指定须聚类的 类数之后，系统采用标准迭代算法进行运算，把所有的个案归并在不同的类中。
m维空间中点与点之间的某种距离就可用来描述样品之间的亲疏程度。 而聚类分析则较常使用于将变量属性相似程度较高的观察值，加以分类，使类与类间的异质性达到最大，而同一类的几个观察值同质性很高。 ③对数据进行变换处理，（如标准化或规格化）；
mm维维空 空间间中中点点与与点点实之之际间间的的应某某用种种距距时离离，就就可可两用用者来来描描的述述主样样品品要之之差间间的的别亲亲在疏疏程程于度度因。。子分析是针对“变量”予以分组，而聚类分析 按照这种方则法是不断将进“行合观并察，直值到个把所体有”的样予品以合为分一组个，大类亦为即止。因子分析时，根据因变量（题项）间关系密切与 四⑦、最常 后用绘两制否种系，聚统类聚将分类变析谱方系量法图予，按以不分同的类分（类标分准为或不几同个的层分类面原因则，子得）出不；同而的分聚类类结果分。析则较常使用于将变量属性相似 从数据结构程和度统计较形高式上的看观，因察子值分析，是加一种以“横分向类合并，”的使方类法，与聚类类分间析的则是异一质种“性纵向达合到并”最的方大法，。 而同一类的几个观察值 适每用一于 种大方容法同量都质样从本不性的同很情的形角高，度。由测用度户了指研定究须对聚象类的的相类似数性之。后，系统采用标准迭代算法进行运算，把所有的个案归并在不同的类中。 研究学生学业差异、因教师素教分学水析平：等等横，向都需简要化对研，究聚对象类进分行分析类：。纵向分组
聚类分析详解ppt课件
以上我们对例6.3.1采用了多种系统聚类法进行聚类，其结果 都是相同的，原因是该例只有很少几个样品，此时聚类的过 程不易有什么变化。一般来说，只要聚类的样品数目不是太 少，各种聚类方法所产生的聚类结果一般是不同的，甚至会 有大的差异。从下面例子中可以看到这一点。
动态聚类法（快速聚类）
(4) 对D1 重复上述对D0 的两步得 D2，如此下去 直至所有元素合并成一类为止。
如果某一步Dm中最小的元素不止一个，则称此现 象为结(tie)，对应这些最小元素的类可以任选一对 合并或同时合并。
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二、最长距离法
类与类之间的距离定义为两类最远样品间的距离， 即
DKL
max
iGK , jGL
聚类分析应注意的问题
（1）所选择的变量应符合聚类的要求
如果希望依照学校的科研情况对高校进行分类，那么可以 选择参加科研的人数、年投入经费、立项课题数、支出经 费、科研成果数、获奖数等变量，而不应选择诸如在校学 生人数、校园面积、年用水量等变量。因为它们不符合聚 类的要求，分类的结果也就无法真实地反映科研分类的情 况。
主要内容
引言 聚类分析原理 聚类分析的种类 聚类分析应注意的问题 聚类分析应用 聚类分析工具及案例分析
聚类分析的种类
（1）系统聚类法（也叫分层聚类或层次聚类） （2）动态聚类法（也叫快速聚类） （3）模糊聚类法 （4）图论聚类法
系统聚类法
对比
常用的系统聚类方法
一、最短距离法 二、最长距离法 三、中间距离法 四、类平均法 五、重心法 六、离差平方和法(Ward方法)
对比
k均值法的基本步骤
(1)选择k个样品作为初始凝聚点，或者将所有样品分成k 个初始类，然后将这k个类的重心(均值)作为初始凝聚点。
聚类分析法ppt课件全
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1.2.2 动态聚类分析法
1.2 聚类分析的种类
（3）分类函数
按照修改原则不同，动态聚类方法有按批修改法、逐个修改法、混合法等。 这里主要介绍逐步聚类法中按批修改法。按批修改法分类的原则是，每一步修 改都将使对应的分类函数缩小，趋于合理，并且分类函数最终趋于定值，即计 算过程是收敛的。
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1.2.2 动态聚类分析法
1.2 聚类分析的种类
（2）初始分类 有了凝聚点以后接下来就要进行初始分类，同样获得初始分类也有不同的
方法。需要说明的是，初始分类不一定非通过凝聚点确定不可，也可以依据其 他原则分类。
以下是其他几种初始分类方法： ①人为分类，凭经验进行初始分类。 ②选择一批凝聚点后，每个样品按与其距离最近的凝聚点归类。 ③选择一批凝聚点后，每个凝聚点自成一类，将样品依次归入与其距离
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1.2 聚类分析的种类
（2）系统聚类分析的一般步骤 ①对数据进行变换处理； ②计算各样品之间的距离，并将距离最近的两个样品合并成一类； ③选择并计算类与类之间的距离，并将距离最ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的两类合并，如果累的个
数大于1，则继续并类，直至所有样品归为一类为止； ④最后绘制系统聚类谱系图，按不同的分类标准，得出不同的分类结果。
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1.2 聚类分析的种类
（7）可变法
1 2 D kr
2 （8）离差平方和法
(D k 2 pD k 2 q)D p 2q
D k 2 rn n ir n n p i D i2 pn n ir n n q iD i2 qn rn in iD p 2 q
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聚类分析（ClusterAnalysis）
聚类分析（ClusterAnalysis）（一）什么是聚类聚类，将相似的事物聚集在一起，将不相似的事物划分到不同的类别的过程。
是将复杂数据简化为少数类别的一种手段。
（二）聚类的基本思想：•有大量的样本。
•假定研究的样本之间存在程度不同的相似性，可以分为几类；相同类别的样本相似度高，不同类别的样本相似度差。
•用一些数据指标来描述样本的若干属性，构成向量。
•用某种方法度量样本之间或者类别之间的相似性（或称距离），依据距离来进行分类。
•根据分类来研究各类样本的共性，找出规律。
（三）聚类的应用•商业领域-识别顾客购买模式，预测下一次购买行为，淘宝商品推荐等。
•金融领域-股票市场板块分析•安全和军事领域•o破解GPS伪随机干扰码和北斗系统民用版的展频编码密码o识别论坛马甲和僵尸粉o追溯网络谣言的源头•生物领域•o进化树构建o实验对象的分类o大规模组学数据的挖掘o临床诊断标准•机器学习•o人工智能（四）聚类的对象设有m个样本单位，每个样本测的n项指标（变量），原始资料矩阵：image.png指标的选择非常重要：必要性要求：和聚类分析的目的密切相关，并不是越多越好代表性要求：反映要分类变量的特征区分度要求：在不同研究对象类别上的值有明显的差异独立性要求：变量之间不能高度相关（儿童生长身高和体重非常相关）散布性要求：最好在值域范围内分布不太集中（五）数据标准化在各种标准量度值scale差异过大时，或数据不符合正态分布时，可能需要进行数据标准化。
（1）总和标准化。
分别求出各聚类指标所对应的数据的总和，以各指标的数据除以该指标的数据的总和。
image.png这种标准化方法所得到的的新数据满足：image.png（2）标准差标准化，即：image.png这种标准化方法得到的新数据，各指标的平均值为0，标准差为1，即有：image.pngimage.pngPS：比如说大家的身高差异（3）极大值标准差经过这种标准化所得到的新数据，各指标的极大值为1，其余各数值小于1.image.pngPS：课程难易，成绩高低。
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第十章聚类分析
教学目的：掌握快速聚类和层次聚类的操作，了解各种距离，掌握其结果的阅读。
教学重点：重点考察K-means cluster、hierarchial cluster过程
教学时数：讲授2学时，操作2学时
教学方法：讲授与演示结合
聚类分析（Cluster Analysis）是研究将个体或变量进行分类的一种多元统计方法。
是直接比较各事物之间的性质，将性质相近的归为一类，将性质差别较大的归入不同的类。
属于一种探索性分析，不同研究者对于同一组数据进行聚类分析，由于所使用的方法不同，常会得出不同的结论。
聚类分析方法根据统计方法的不同分为层次聚类和快速聚类
根据分类对象的不同分为两类：一类是对样本所作的分类，即Q-型聚类，一类是对变量所作的分类，即R-型聚类。
聚类分析的基本思想是，据已知数据，计算各观察个体或变量之间亲疏关系的统计量（距离或相关系数）。
根据某种准则（最短距离法、最长距离法、中间距离法），使同一类内的差别较小，而类与类之间的差别较大，最终将观察个体或变量分为若干类。
分类过程是一个逐步减少类别的过程，在每一个聚类层次，必须满足“类内差异小，类间差异大”原则，直至归为一类。
例：
不同地区城镇居民收入和消费状况的分类研究
区域经济及社会发展水平的分析及全国区域经济综合评价
在儿童生长发育研究中，把以形态学为主的指标归于一类，以机能为主的指标归于另一类
研究样品间的关系常用距离，研究指标间的关系常用相似系数。
1、距离
（1）欧式（Euclidian ）距离
假使每个样品有p个变量，则每个样品都可以看成p维空间中的一个点，n个样品就是p维空间中的n
个点，则第i样品与第j样品之间的距离记为dij
（2）欧式距离平方（系统默认）
2、相似系数
相似系数常用的有：夹角余弦与相关系数
3、类间距离
最近距离、最远距离、类间平均法等
10.1 层次聚类分析（系统聚类）
10.1.1基本概念与方法
其原理是将n个变量（观察量）看成不同的n类，然后将性质最接近的两类合并为一类，再从这n－1类中找到最接近的两类加以合并，依此类推，直到所有的变量（观察量）被合为一类。
得到该结果后，使用者再根据具体的问题和聚类结果来决定应当分为几类。
其优点：可以对变量进行聚类（R型聚类），也可对观察量进行聚类（Q型聚类）；变量可以是连续性变量，也可是分类变量。
计算距离的方法也较丰富。
其缺点：需反复计算距离，观察量太大或变量较多时，速度较慢。
10.1.2实例1
一、例题与数据E10－1a.sav（将北京地区18区县按中等职业教育发展水平的9个指标进行聚类，）
二、统计分析过程
Analyze→Classify→Hierarchical Cluster
Variables框：X1－X9
Label Cases by框：qx 标记变量，增强分析结果可读性，只在样本聚类时可用
☉Cases
10.1.3实例2
一、例题与数据E10－1a.sav（将北京地区18区县中等职业教育发展水平的9个指标进行聚类）
二、统计分析过程
Analyze→Classify→Hierarchical Cluster
Variables框：X1－X9
☉Variables
☉Inter：Pearson correlation适用于R型聚类（变量聚类）
层次聚类分析应注意以下几个问题：
1、变量选择：在聚类前，应从专业角度考虑尽量删去对分类不起作用的变量。
并非变量越多越好，因为无关变量的存在可能会影响真实分类的发现，甚至引起严重的错分。
原则上应只引入在不同类间有显著差别的变量。
2、共线性问题：在对观察量进行聚类时，如果变量间存在较强共线性，则可能会对结果有较大影响。
这就相当于某个变量的权重远远高于其他变量，需进行预分析，并进行剔除或提取主成分。
3、变量的标准化：如用于分析的各变量的变异程度相关非常大，则变异大的变量会影响距离计算结果（相当于其权重增大），在此情况下，应先对变量进行某种标准化处理（一般计算Z分数），然后聚类。
4、异常值：对聚类结果影响较大，目前尚无较好的解决方法，只能尽力避免。
5、分类数：一般分类数在2～8类较合适。
6、专业意义：统计学结论不是最终结论，一定要结合专业知识进行分析，对聚类分析来说，尤为如此。
使用不同的聚类分析方法可能得到的结果相关很大，单纯从统计学的角度是难以判断哪个结果是正确的。
10.2 快速聚类分析
10.2.1基本概念与方法
计算过程为：
（1）首先需要用户指定聚类的数量（如分成k类）
（2）由SPSS系统确定或由用户自行指定k个类别的初始类中心
（3）按就近原则将其余观测值向凝聚点凝集，这样得到一个初始分类方案，并计算出各个初始分类的中心位置（均值）
（4）使用计算出的中心位置重新进行聚类，反复循环，直到凝聚点位置改变很小（达到收敛标准）为止由此可看出：
快速聚类分析中，各观察量的位置在计算过程中不断改变。
其优点：（1）计算速度快，可有效处理多变量、大样本（n＞100）数据。
（2）分析时可人为指定初始中心位置，有利于利用前人工作的成果
其缺点：（1）应用范围有限，要求用户事先知道需要将观察量分成几类
（2）只能对观察量进行聚类（Q型），而不能对变量进行聚类
（3）要求所使用的变量必须都是连续性变量，且要求变量具有多元正态性、方差齐性
10.2.2 例题与数据
E10-1a.sav（将北京地区18区县按照各自中等职业教育发展特点分成4类）
10.2.3统计分析过程
Analyze→Classify→K-means Cluster
Variables框：X1－X9
Label Cases by框：qx
Number of Clusters框：4要求分为4类
A table
结果说明：如方差分析结果表明，各类间的差异不显著，则需要尝试其他的分析方法，如分成3类或5类，而不是最开始的4类。
这说明快速聚类分析是尝试性的分析，有时需要反复快速聚类来最终确定
一个比较合理的聚类数目。