有序樣品聚類法

有序樣品聚類法

有序樣品聚類法是聚類分析的方法之一。在通常的聚類分析中樣品之間彼此是平等的,聚類時是將樣品混在一起按照距離或相似係數的標準來進行分類, 但是有些客觀現象在聚類時不能打亂原來樣品的排列順序。例如要對兒童生長發育的規律劃分成幾個階段, 或對我國解放以後經濟的發展速度劃分成幾個階段, 同一個階段的樣品要求是互相連線的,也就是說聚類時要求必須是次序相鄰的樣品才能在一類。這種聚類的方法稱作有序樣品聚類法。

有序樣品聚類法的概念

系統聚類法,被分類的樣品是相互獨立的,分類時彼此是平等的。而有序樣品分類法要求樣品按一定的順序排列,分類時是不能打亂次序的,即同一類樣品必須是互相鄰接的。比如要將新中國成立以來國民收入的情況劃分為幾個階段,此階段的劃分必須依年份的順序為依據,又如研究天氣演變的歷史時,樣品是按從古到今的年代排列的,年代的次序也是不能打亂的。

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如果用 表示n個有序的樣品,則每一類必須是這樣的形式: ,其中, 且 ,即同一類樣品必須是相互鄰接的。研究這樣分類問題稱為 有序樣品的聚類法,該方法是由Fisher在1958年提出的。

有序樣品的分類實質上是找一些分點,將有序樣品劃分為幾個分段,每個分段看作一個類,所以分類也稱為分割。顯然分點取在不同的位置就可以得到不同的分割。通常尋找最好分割的一個依據就是使各段內部樣品之間的差異最小,而各段樣品之間的差異較大,所以有序樣品聚類法又稱為 最優分割法

最優分割法的計算步驟

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設有序樣品依次為 ,( 為p維向量)

(1)定義類的直徑

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設某一類G包含的樣品有 ,記

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用 表示這一類的直徑,常用的直徑有:

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當p=1時,有時用直徑為:

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其中, 是這一類數據的中位數。

(2)定義分類的損失函式(或稱目標函式、誤差函式等)

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用b(n,k)表示將n個有序樣品分為k類的某一種分法,常記分法b(n,k)為: 或簡記為:

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其中分點為: 即 。

定義這種分類法的損失函式為:

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當n,k固定時, 越小表示各類的離差平方和越小,分類是合理的。因此要尋找一種分法b(n,k),使分類損失函式L達最小,記P(n,k)是使 達極小的分類法。

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(3) 的遞推公式

Fisher算法最核心的部分是利用以下兩個遞推公式:

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以上兩公式由定義即可證明。其中第二式表示,若要找將n個樣品分為k類的最優分割,應建立在將 個樣品分為k-1類的最優分割基礎上(這裡 )。

(4)最優解求法

若分類數k(1<k<n),求分類法p(n,k)使它在損失函式意義下達最小,其求法如下:

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首先,找分點 使 達最小,於是得第k類 ,然後,找 ,使它滿足 ,得到第k-1類 ,類似的方法依次可得到所有類 ,這就是所求的最優解,即 。

總之,最優分割法分類的依據是離差平方和,而算法的核心部分是兩個遞推公式 。

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