zahlavi-IBA logo-IBA logo-MU © Institut biostatistiky a analýz Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Jaro 2015 RNDr. Eva Janoušová doc. RNDr. Ladislav Dušek, Dr. logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Blok 4 Shluková analýza 2 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Osnova 1.Podstata a cíle shlukové analýzy dat 2.Shluková analýza hierarchická – hierarchické aglomerativní shlukování 3.Shluková analýza hierarchická – hierarchické divizivní shlukování 4.Shluková analýza nehierarchická 5.Identifikace optimálního počtu shluků 3 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Podstata a cíle shlukové analýzy dat 4 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shluková analýza – cíle a postupy •Shluková analýza se snaží o identifikaci shluků objektů ve vícerozměrném prostoru a následnou redukci vícedimenzionálního problému kategorizací objektů do zjištěných shluků • 5 •Existuje řada různých metod pro shlukování dat lišících se: -Měřením vzdálenosti mezi objekty -Algoritmem spojování objektů do shluků -Interpretací výstupů •Každá z metod má své vlastní předpoklady výpočtu a je nasaditelná pro různé typy úloh •Porušení předpokladů nebo nasazení chybné metody může vést k zavádějícím výsledkům logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Obecný princip hledání shluků v datech •Vzájemnou pozici objektů ve vícerozměrném prostoru lze popsat jejich vzdáleností (např. Euklidovou, Čebyševovou apod.) 6 Jednoznačné odlišení existujících shluků v datech (obdoba multimodálního rozložení) Shluková analýza je možná i v tomto případě, nicméně hranice shluků jsou dány pouze naším rozhodnutím. •Smysluplnost výsledků shlukování závisí jednak na objektivní existenci shluků v datech, jednak na arbitrárně nastavených kritériích definice shluků • logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shluková analýza – typy metod 7 1. Krok 2. Krok X. Krok Atd. Atd. Kolik shluků chceme definovat? Například 4 Výpočet ukončen Minimum spanning tree, Prime network Výpočet ukončen logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shluková analýza hierarchická – hierarchické aglomerativní shlukování 8 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Hierarchické aglomerativní shlukování •Při tomto způsobu shlukování jsou postupně shlukovány nejpodobnější objekty až do doby, kdy jsou všechny objekty propojeny do jednoho shluku spojujícího všechny objekty v analyzovaném souboru 9 •Analýza má dva hlavní kroky: 1.Výběr vhodné metriky vzdálenosti/podobnosti pro výpočet asociační matice (analýza může probíhat na libovolných metrikách vzdálenosti/podobnosti) 2.Výběr shlukovacího algoritmu, který podstatným způsobem ovlivňuje výsledky analýzy a možnosti její interpretace •Algoritmus výpočtu postupuje v následujícím cyklu 1.Výpočet asociační matice 2.Spojení dvou nejpodobnějších objektů 3.Přepočítání asociační matice tak, že spojené objekty již nadále vystupují jako jediný objekt (v tomto kroku se uplatňuje zvolený shlukovací algoritmus, který definuje jak bude počítána vzdálenost/podobnost spojených objektů vůči ostatním objektům) 4.Spojení dvou nejpodobnějších objektů z přepočítané asociační matice 5.Atd. až do spojení všech objektů logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Hierarchické aglomerativní shlukování – schéma výpočtu 10 Výběr metriky podobnosti/vzdálenosti Výběr shlukovacího algoritmu Ukončení výpočtu po spojení všech objektů Dendrogram Amalgamation schedule/graph logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Popis výstupů – dendrogram 11 Výstupy shlukové analýzy musí být vždy popsány použitou metrikou vzdáleností a shlukovacím algoritmem Shlukované objekty - jejich pořadí je dáno přiřazením do shluků, není problém jejich pořadí v grafu měnit (např. v tomto konkrétním grafu prohodit A a B), pouze nesmí dojít ke změně shluků Propojení shlukovaných objektů Vzdálenost, na níž došlo ke spojení shluku: • je v rozměrech použité metriky vzdáleností/podobností a v tomto kontextu ji lze kvantitativně interpretovat • interpretace vzdálenosti shlukování se liší podle použitého shlukovacího algoritmu • někdy se uvádí ve škále 0-100%, kde 100% je maximální vzdálenost shlukování logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Popis výstupů – Amalgamation schedule/graph •Popis postupu shlukování; využitelné i pro identifikaci optimálního počtu shluků • 12 Objekty spojené v jednotlivých krocích shlukování Grafické vyjádření kroků shlukování a vzdálenostech, na nichž došlo k propojení objektů: Pokud je v grafu dlouhá vzdálenost bez napojení shluku, jde o možné místo zastavení shlukování a definici finálních shluků Souvislost s dendrogramem: logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shlukovací algoritmy hierarchického aglomerativního shlukování 13 •Metoda nejbližšího souseda (nearest neighbour, simple linkage) – spojení dle nejmenší vzdálenosti mezi objekty shluků •Průměrná vzdálenost (pair group average) – spojení dle průměrné vzdálenosti mezi objekty shluků –Vážená (weighted) – odstranění vlivu velikosti shluků, shluky bez ohledu na velikost přispívají k výpočtu spojovací vzdálenosti stejnou vahou –Nevážená (unweighted) – výpočet spojovací vzdálenosti je ovlivněn velikostí spojovaných shluků •Středospojná vzdálenost (pair group centroid) – spojení dle vzdálenosti centroidů shluků –Vážená (weighted) – odstranění vlivu velikosti shluků, shluky bez ohledu na velikost přispívají k výpočtu spojovací vzdálenosti stejnou vahou –Nevážená (unweighted) – výpočet spojovací vzdálenosti je ovlivněn velikostí spojovaných shluků •Metoda nejvzdálenějšího souseda (farthest neigbour, complete linkage) – spojení dle největší vzdálenosti mezi objekty shluků logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shlukovací algoritmy hierarchického aglomerativního shlukování 14 •Průměrná vzdálenost (pair group average) – spojení dle průměrné vzdálenosti mezi objekty shluků –Vážená (weighted) – odstranění vlivu velikosti shluků, shluky bez ohledu na velikost přispívají k výpočtu spojovací vzdálenosti stejnou vahou –Nevážená (unweighted) – výpočet spojovací vzdálenosti je ovlivněn velikostí spojovaných shluků •Středospojná vzdálenost (pair group centroid) – spojení dle vzdálenosti centroidů shluků –Vážená (weighted) – odstranění vlivu velikosti shluků, shluky bez ohledu na velikost přispívají k výpočtu spojovací vzdálenosti stejnou vahou –Nevážená (unweighted) – výpočet spojovací vzdálenosti je ovlivněn velikostí spojovaných shluků •Metoda nejvzdálenějšího souseda (farthest neigbour, complete linkage) – spojení dle největší vzdálenosti mezi objekty shluků Přechod mezi oběma extrémy (metoda flexible clustering umožňuje dle nastavení zcela plynulý přechod) •Metoda nejbližšího souseda (nearest neighbour, simple linkage) – spojení dle nejmenší vzdálenosti mezi objekty shluků logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách 15 Shlukovací algoritmy hierarchického aglomerativního shlukování – Wardova metoda •Principielně podobné ANOVA •Shluky jsou vytvářeny tak, aby nově vzniklý shluk přispíval co nejméně k sumě čtverců vzdáleností objektů od centroidů jejich shluků •V počátečním kroku je každý objekt sám sobě shlukem, a tedy vzdálenost od centroidu shluku je rovna 0 •Pro výpočet vzdáleností od centroidu je používána Euklidovská vzdálenost •Pro popis vzdálenosti shlukování je v dendrogramu možné použít řadu postupů (nezbytné ověřit jaký přístup je k dispozici v použitém SW): –Čtverce vzdáleností –Odmocnina čtverce vzdáleností –Podíl variability (čtverce vzdáleností) připadající na daný shluk –Aj. Krok 1: každý objekt je sám sobě centroidem Krok 2: spojení objektů, které nejméně přispějí k sumě čtverců vzdáleností od centroidu Krok 3: spojení objektů, které nejméně přispějí k sumě čtverců vzdáleností od centroidu Krok 4: stejný postup až do spojení všech objektů logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího souseda: 1. krok výpočtu 16 A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 1 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů D-E •Je vypočtena asociační matice A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího souseda: 2. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty D-E již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána nejmenší vzdáleností od jeho členů (D, E) • • • • • • 17 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 C 7.2 4.5 0.0 5.7 D+E 12.7 10.0 5.7 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů A-B 1 2 A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 C 7.2 4.5 0.0 5.7 D+E 12.7 10.0 5.7 0.0 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího souseda: 3. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty A-B již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána nejmenší vzdáleností od jeho členů (A, B) • • • • • • 18 A+B C D+E A+B 0.0 4.5 10.0 C 4.5 0.0 5.7 D+E 10.0 5.7 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů (A-B)-C 1 2 3 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 C 7.2 4.5 0.0 5.7 D+E 12.7 10.0 5.7 0.0 A+B C D+E A+B 0.0 4.5 10.0 C 4.5 0.0 5.7 D+E 10.0 5.7 0.0 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího souseda: 4. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty (A-B)-C již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána nejmenší vzdáleností od jeho členů (A, B, C) • • • • • • 19 A+B+C D+E A+B+C 0.0 5.7 D+E 5.7 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů ((A-B)-C)-(D-E) 1 2 3 4 A+B C D+E A+B 0.0 4.5 10.0 C 4.5 0.0 5.7 D+E 10.0 5.7 0.0 A+B+C D+E A+B+C 0.0 5.7 D+E 5.7 0.0 •Všechny objekty jsou spojeny, algoritmus je ukončen logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího souseda: výsledek analýzy 20 •Výsledek analýzy je vizualizován ve formě dendrogramu 1 2 3 4 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejvzdálenějšího souseda: 1. krok výpočtu 21 A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 1 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů D-E •Je vypočtena asociační matice A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejvzdálenějšího souseda: 2. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty D-E již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána největší vzdáleností od jeho členů (D, E) • • • • • • 22 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.8 B 4.0 0.0 4.5 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.8 D+E 12.8 10.3 5.8 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů A-B 1 2 A B C D E A 0.0 4.0 7.2 12.8 12.7 B 4.0 0.0 4.5 10.0 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.7 5.8 D 12.8 10.0 5.7 0.0 1.4 E 12.7 10.3 5.8 1.4 0.0 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.8 B 4.0 0.0 4.5 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.8 D+E 12.8 10.3 5.8 0.0 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejvzdálenějšího souseda: 3. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty A-B již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána největší vzdáleností od jeho členů (A, B) • • • • • • 23 A+B C D+E A+B 0.0 7.2 12.8 C 7.2 0.0 5.8 D+E 12.8 5.8 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů (D-E)-C 1 2 A B C D+E A 0.0 4.0 7.2 12.8 B 4.0 0.0 4.5 10.3 C 7.2 4.5 0.0 5.8 D+E 12.8 10.3 5.8 0.0 A+B C D+E A+B 0.0 7.2 12.8 C 7.2 0.0 5.8 D+E 12.8 5.8 0.0 3 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejvzdálenějšího souseda: 4. krok výpočtu •Je vypočtena asociační matice, kde objekty (D-E)-C již vystupují jako jeden objekt, jehož vzdálenost od ostatních objektů je dána největší vzdáleností od jeho členů (D, E, C) • • • • • • 24 A+B D+E+C A+B 0.0 12.8 D+E+C 12.8 0.0 •Je definován shluk dvou nejbližších objektů ((D-E)-C)-(A-B) A+B C D+E A+B 0.0 7.2 12.8 C 7.2 0.0 5.8 D+E 12.8 5.8 0.0 A+B D+E+C A+B 0.0 12.8 D+E+C 12.8 0.0 •Všechny objekty jsou spojeny, algoritmus je ukončen 1 2 3 4 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejvzdálenějšího souseda: výsledek analýzy 25 •Výsledek analýzy je vizualizován ve formě dendrogramu 1 2 3 4 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Metoda nejbližšího a nejvzdálenějšího souseda – interpretace výsledků 26 Metoda nejbližšího souseda Metoda nejvzdálenějšího souseda Rozdílné zařazení objektu C Vzdálenost, na níž došlo ke spojení shluku: • u metody nejbližšího souseda znamená nejmenší vzdálenost objektů shluku, tedy ve shluku mohou existovat objekty s větší vzdáleností Vzdálenost, na níž došlo ke spojení shluku: • u metody nejvzdálenějšího souseda znamená největší vzdálenost objektů shluku, tedy objekty ve shluku už mohou být k sobě pouze blíže nebo stejně vzdálené jako je tato vzdálenost logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shluková analýza hierarchická – hierarchické divizivní shlukování 27 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Hierarchické divizivní shlukování – postup •divizivní metody pracují ze začátku se všemi objekty jako s jednou skupinou 28 x y x y x y … •nejdříve je tato skupina rozdělena do dvou menších skupin •dělení podskupin pokračuje dále, dokud není splněno alespoň jedno z kritérií, které ukončí analýzu: –předem definovaný počet kroků –rozklad na samostatné objekty –dosažení kritéria minimálního logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Hierarchické divizivní shlukování – poznámky •výhoda oproti hierarch. aglomerativnímu shlukování: vhodné pro objemné datové soubory •výhodou rovněž, že ke každému dělení je připojeno kritérium, podle kterého dělení proběhlo 29 •typy divizivních metod: –monotetické (dělení souboru podle jediné proměnné) –polytetické (dělení souboru podle komplexní charakteristiky získané na základě všech proměnných) – např. metoda TWINSPAN logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Shluková analýza nehierarchická 30 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Nehierarchické shlukování •pokud data nevykazují hierarchickou strukturu, je často vhodnější používat nehierarchické shlukování namísto hierarchického shlukování • 31 •výstupem vytvoření skupin stejného řádu •skupiny uvnitř co nejvíce homogenní a mezi sebou co nejvíce odlišné • •nehierarchické metody vhodné pro velmi objemná data • •metody nehierarchického divizivního shlukování: –metoda k-průměrů (k-means clustering) –metoda x-průměrů –metoda k-medoidů • •metody nehierarchického aglomerativního shlukování: –Minimum spanning tree • logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách •Metoda zařazuje objekty do shluků na principu ANOVA, analogií je Wardova metoda shlukování v hierarchickém aglomerativním shlukování •Počet shluků je předem definován, výběr nejvhodnějšího počtu shluků je prováděn buď expertně nebo pomocí matematických metod výběru optimálního počtu shluků (analýza vnitro a mezishlukových vzdáleností) 32 Výsledek pro k=2 Výsledek pro k=3 •Postup: 1.V prvním kroku je určeno k objektů jako počáteční středy shluků (výběr může být náhodný, daný uživatelem nebo maximalizující počáteční vzdálenosti k objektů) 2.Následně jsou objekty zařazeny do k shluků tak, aby byla minimalizována suma čtverců vzdáleností objektů k centroidům jejich shluků Nehierarchické divizivní shlukování – metoda k-průměrů •Upozornění: Analýza vždy nalezne zadaný počet shluků, i když výsledek nemusí být vždy prakticky smysluplný! logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Nehierarchické aglomerativní shlukování - postup •Do této skupiny lze zařadit metody hledající nejkratší spojnici mezi objekty ve vícerozměrném prostoru (i když lze vznést námitky proti nazývání těchto metod nehierarchickými) • •Metody hledají v asociační matici (prvním krokem je tak vždy výběr vhodné metriky vzdáleností/ podobností) propojení všech objektů s nejmenší sumou vzdáleností mezi propojenými objekty • •Na rozdíl od klasického hierarchického aglomerativního shlukování může být na jeden objekt napojeno několik dalších objektů • •Minimum spanning tree 33 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Identifikace optimálního počtu shluků 34 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Identifikace optimálního počtu shluků •Cílem analýzy může být jednak zjistit vazby mezi objekty (dostatečným výstupem je dendrogram) nebo identifikovat v datech shluky, které budou využity v další analýze jako zjednodušení vícedimenzionálního problému 35 •Identifikace shluků ve výsledcích shlukové analýzy: –Expertní/intuitivní – hranice oddělení shluků je určena podle zkušeností analytika a praktického významu výstupu –Matematické metody (analýza mezishlukových/vnitroshlukových vzdáleností; silhouette metoda aj.) fungují dobře v případě existence přirozených shluků –V některých případech (při neexistenci přirozených shluků) je rozdělení souboru pouze arbitrární Jednoznačný řez na více vzdálenostech Jediný identifikovatelný řez, navíc na malé vzdálenosti logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Identifikace optimálního počtu shluků •Mezi shlukovou analýzou a pozicí objektů ve vícerozměrném prostoru existuje vztah • 36 Jednoznačný řez na více vzdálenostech Jediný identifikovatelný řez, navíc na malé vzdálenosti logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Identifikace optimálního počtu shluků - metody •Dunnův validační index •Daviesův-Bouldinův validační index •Metoda siluety •Izolační index •C-index •Goodmanův-Kruskalův index 37 logo-MU logo-IBA Janoušová, Dušek: Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách Poděkování Příprava výukových materiálů předmětu „DSAN02 Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách“ byla finančně podporována prostředky projektu FRMU č. MUNI/FR/0260/2014 „Pokročilé metody analýzy dat v neurovědách jako nový předmět na LF MU“ 38