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Aprendizagem de Máquina - Agrupamento
Ricardo Prudêncio
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Clustering (Agrupamento)
Particionar objetos em clusters de forma que: Objetos dentro de um cluster são similares Objetos de clusters diferentes são diferentes Descobrir novas categorias de objetos de uma maneira não-supervisionada Rótulos de classes não são fornecidos a priori
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Clustering - Etapas Partição Objetos Redução da Representação
Padrões (Vetores) Redução da dimensionalidade Seleção ou extração de características Clustering Cluster A Cluster B Cluster C Objetos Similaridade Partição
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Tipos de Clustering Algoritmos Flat (ou Particional)
Geram partição “plana”, i.e. não existe relação hierárquica entre os clusters Algoritmos Hierárquicos Geram uma hierarquia de clusters, i.e. cada cluster é associado a um cluster-pai mais genérico Vantagem: diferentes visões dos dados
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Tipos de Clustering Hard Fuzzy
Cada objeto pertence exclusivamente a um único grupo na partição Fuzzy Cada objeto está associado a um cluster com certo grau de pertinência Partição Fuzzy pode ser convertida facilmente para uma partição hard
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Tipos de Clustering Incremental Não-incremental
Partição é atualizada a cada novo objeto observado Em geral, apenas um número pequeno de clusters é modificado Não-incremental Partição é gerada de uma única vez usando todos os objetos disponíveis
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Algoritmo K-Means
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Algoritmo k-Means Algoritmo particional baseado em Otimização do Erro Quadrado centróide do cluster j Partição i-ésimo objeto do cluster j Conjunto de Objetos
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Algoritmo k-Means Encontra de forma interativa os centróides dos clusters Centróide A Centróide A d1 d2
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Algoritmo k-Means Clusters definidos com base nos centróides (centro de gravidade, ou o ponto médio dos cluster: Alocação dos objetos nos clusters feita com base na similaridade com o centróide até critério de parada
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Algoritmo k-Means Passo 1: Defina k centróides iniciais, escolhendo k objetos aleatórios; Passo 2: Aloque cada objeto para o cluster correspondente ao centróide mais similar; Passo 3: Recalcule os centróides dos clusters. Passo 4: Repita passo 2 e 3 até atingir um critério de parada e.g. até um número máximo de iterações ou; até não ocorrer alterações nos centróides (i.e. convergência para um mínimo local da função de erro quadrado)
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k-Means (Exemplo com K=2)
Inicializar centróides Alocar objetos Computar centróides x Realocar objetos x Computar centróides Realocar objetos Convergiu!
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Algoritmo k-Means O k-Means tende a gerar clusters esféricos
Assim pode falhar para clusters naturais com formas mais complexas Exemplo -->
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Algoritmo k-Means O k-Means é popular pela facilidade de implementação, e eficiência no tempo O(nK), onde n é o número de objetos e K é o número de clusters Comentários: Não adequado para atributos categóricos Sensível a outliers e ruído Converge para mínimos locais Desempenho do algoritmo é dependente da escolha dos centróides iniciais
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Algoritmo k-Medoid Similar ao k-Means mas cada cluster é representado por um objeto que realmente existe (medoid) Medoid é o objeto do grupo cuja similaridade média com os outros objetos possui o valor máximo Comentários: Tolerante a outliers e adequado para atributos categóricos Porém, custo mais alto
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Algoritmos Hierárquicos
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Algoritmos Hierárquicos
Geram uma partição onde os clusters são organizados em uma hierarquia Permite ao usuário ter diferentes visões dos objetos sendo agrupados
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Dendrograma X2 F G D E B C A X1
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Tipos de Algoritmos Hierárquicos
Algoritmos Hierárquicos Divisivos ou Particionais Assumem estratégia top-down Iniciam com cluster mais geral que é progressivamente dividido em sub-cluster Algoritmos Hierárquicos Aglomerativos Assumem estratégia bottom-up Iniciam com clusters específicos que são progressivamente unidos
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Algoritmos Hierárquicos Divisivos
Passo 1: Inicie alocando todos os documentos em um cluster; Passo 2: A partir da estrutura existente de grupos, selecione um cluster para particionar; Em geral, o maior cluster, ou o cluster menos homogêneo Passo 3: Particione o grupo em dois ou mais subgrupos; Passo 4: Repita os passos 2 e 3 até que um critério de parada seja verificado e.g., até atingir um número desejado de grupos
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Algoritmos Hierárquicos Divisivos
Bi-Secting k-Means Uso do algoritmo k-Means na etapa de divisão dos clusters Clusters são sucessivamente particionados em 2 sub-clusters Complexidade: O(n log(n))
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Algoritmos Hierárquicos Aglomerativos
Passo 1: Inicie alocando cada documento como um cluster diferente; Passo 2: Selecionar o par de clusters mais similares entre si e os agrupe em um cluster mais geral; Passo 3: Repita o passo 2 até a verificação de um critério de parada e.g., até que todos os documentos sejam agrupados em um único cluster Complexidade: O(n2 log(n))
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Algoritmos Hierárquicos Aglomerativos
Algoritmos variam conforme a maneira de medir similaridade entre dois clusters Single-Link: definida como a máxima similaridade entre os membros dos clusters Complete-Link: definida como a mínima similaridade entre os membros dos clusters Average-Link: definida como a média da similaridade entre os membros dos clusters
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Single Link Similaridade entre clusters: Efeito:
Produz clusters mais alongados (efeito cadeia)
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Single Link - Exemplo
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Complete Link Similaridade entre clusters: Efeito:
Produz clusters mais coesos e compactos
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Complete Link - Exemplo
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Single Link X Complete Link
Single-Link conecta pontos de classes diferentes através de uma cadeia de pontos com ruído (*)
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Single Link X Complete Link
1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 1 1 1 1 Complete-Link não é capaz de identificar cluster de pontos (1)
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Average-Link Similaridade entre clusters: Efeito:
Equilíbrio entre clusters coesos e flexíveis Em alguns contextos (e.g., clustering de texto) tem se mostrado mais eficaz
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Algoritmo Aglomerativo Baseado em Centróides
Similaridade entre clusters é definido como a similaridade entre seus centróides 1 2 x 3
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Algoritmos Hierárquicos
Resumo: Os algoritmos hierárquicos divisivos são menos custosos que os aglomerativos Dentre os aglomerativos, o Average-Link funciona melhor em algumas aplicações Desempenho pode ser melhorado através da combinação de técnicas
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Referências Jain, A. K., Murty, M. N., and Flynn, P. (1999). Data clustering: a review. ACM Computing Surveys, 3(31):264–323. Xu, R. and Wunsch II, D. (2005). Survey of Clustering Algorithms, IEEE Trans. on Neural Networks, 16(3): Jiang, D., T., Tang, and Zhang, A. (2004). Cluster Analysis for Gene Expression Data: A Survey, IEEE Trans. on Knowledge and Data Engineering, 16(11).
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