Обзор методов статистического анализа данных.

Применение современных практических методов анализа данных и распознавания востребовано в технических и гуманитарных областях, в науке и производстве, бизнесе и финансах. В данном описании представлена основная алгоритмическая суть, понимание которой является полезным для более эффективного использования методов распознавания и классификации при анализе данных.

1. Задача распознавания (классификации с учителем) и современное состояние в области практических методов для ее решения. Основные этапы в развитии теории и практики распознавания: создание эвристических алгоритмов, модели распознавания и оптимизация моделей, алгебраический подход к коррекции моделей. Основные подходы - основанные на построении разделяющих поверхностей, потенциальные функции, статистические и нейросетевые модели, решающие деревья, и другие.

Более подробно описаны основные подходы и алгоритмы комбинаторно-логических методов распознавания (модели вычисления оценок или алгоритмы, основанные на принципе частичной прецедентности), разработанные в ВЦ РАН им. А.А. Дородницына. В основе данных моделей лежит идея поиска важных частичных прецедентов в признаковых описаниях исходных данных (информативных фрагментов значений признаков, или представительных наборов). Для вещественных признаков находятся оптимальные окрестности информативных фрагментов. В другой терминологии, данные частичные прецеденты называют знаниями или логическими закономерностями, связывающими значения исходных признаков с распознаваемой или прогнозируемой величиной. Найденные знания являются важной информацией об исследуемых классах (образах) объектов. Они непосредственно используются при решении задач распознавания или прогноза, дают наглядное представление о существующих в данных взаимозависимостях, что имеет самостоятельную ценность для исследователей и может служить основой при последующем создании точных моделей исследуемых объектов, ситуаций, явлений или процессов. По найденной совокупности знаний вычисляются также значения таких полезных величин, как степень важности (информативности) признаков и объектов, логические корреляции признаков и логические описания классов объектов, и решается задача минимизации признакового пространства.

2. Методы решения основной задачи кластерного анализа (классификации без учителя) – нахождение группировок объектов (кластеров) в заданной выборке многомерных данных. Приведен краткий обзор основных подходов для решения задачи кластерного анализа и описание комитетного метода синтеза коллективных решений.

3. Программная система интеллектуального анализа данных, распознавания и прогноза РАСПОЗНАВАНИЕ. В основу требований к системе положены идеи универсальности и интеллектуальности. Под универсальностью системы понимается возможность ее применения к максимально широкому кругу задач (по размерностям, по типу, качеству и структуре данных, по вычисляемым величинам). Под интеллектуальностью понимается наличие элементов самонастройки и способности успешного автоматического решения задач неквалифицированным пользователем. В рамках Системы РАСПОЗНАВАНИЕ разработана библиотека программ, реализующих линейные, комбинаторно-логические, статистические, нейросетевые, гибридные методы прогноза, классификации и извлечения знаний из прецедентов, а также коллективные методы прогноза и классификации.

1. Алгоритмы распознавания, основанные на вычислении оценок. Распознавание осуществляется на основе сравнения распознаваемого объекта с эталонными по различным наборам признаков, и использования процедур голосования. Оптимальные параметры решающего правила и процедуры голосования находятся из решения задачи оптимизации модели распознавания - определяются такие значения параметров, при которых точность распознавания (число правильных ответов на обучающей выборке) является максимальной.

2. Алгоритмы голосования по тупиковым тестам. Сравнение распознаваемого объекта с эталонными осуществляется по различным «информативным» подмножествам признаков. В качестве подобных подсистем признаков используются тупиковые тесты (или аналоги тупиковых тестов для вещественнозначных признаков) различных случайных подтаблиц исходной таблицы эталонов.

По обучающей выборке вычисляются множества логических закономерностей каждого класса – наборы признаков и интервалы их значений, свойственные каждому классу. При распознавании нового объекта вычисляется число логических закономерностей каждого класса, выполняющихся на распознаваемом объекте. Каждое отдельное «выполнение» считается «голосом» в пользу соответствующего класса. Объект относится в тот класс, нормированная сумма «голосов» за который является максимальной. Настоящий метод позволяет оценивать веса признаков, логические корреляции признаков, строить логические описания классов, находить минимальные признаковые подпространства.

4. Алгоритмы статистического взвешенного голосования.

По данным обучающей выборки находятся статистически обоснованные логические закономерности классов. При распознавании новых объектов вычисляется оценка вероятности принадлежности объекта к каждому из классов, которая является взвешенной суммой «голосов».

5. Линейная машина.

Для каждого класса объектов находится некоторая линейная функция. Распознаваемый объект относится в тот класс, функция которого принимает максимальное значение на данном объекте. Оптимальные линейные функции классов находятся в результате решения задачи поиска максимальной совместной подсистемы системы линейных неравенств, которая формируется по обучающей выборке. В результате находится специальная кусочно-линейная поверхность, правильно разделяющая максимальное число элементов обучающей выборки.

6. Линейный дискриминант Фишера.

Классический статистический метод построения кусочно-линейных поверхностей, разделяющих классы. Благоприятными условиями применимости линейного дискриминанта Фишера являются выполнение следующих факторов: линейная отделимость классов, дихотомия, «простая структура» классов, невырожденность матриц ковариаций, отсутствие выбросов. Созданная модификация линейного дискриминанта Фишера позволяет успешно использовать его и в «неблагоприятных» случаях.

7. Метод к-ближайших соседей.

Классический статистический метод. Распознаваемый объектотносится в тот класс, из которого он имеет максимальное число соседей. Оптимальное число соседей и априорные вероятности классов оцениваются по обучающей выборке.

8. Нейросетевая модель распознавания с обратным распространением

Создана модификация известного метода обучения нейронной сети распознаванию образов (метод обратного распространения ошибки). В качестве критерия качества текущих параметров нейронной сети используется гибридный критерий, учитывающий как сумму квадратов отклонений значений выходных сигналов от требуемых, так и количество ошибочных классификаций на обучающей выборке.

9.Метод опорных векторов.

Метод построения нелинейной разделяющей поверхности с помощью опорных векторов. В новом признаковом пространстве (спрямляющем пространстве) строится разделяющая поверхность, близкая к линейной. Построение данной поверхности сводится к решению задачи квадратичного программирования.

10. Алгоритмы решения задач распознавания коллективами различных распознающих алгоритмов.

Задача распознавания решается в два этапа. Сначала применяются независимо различные алгоритмы Системы. Далее находится автоматически оптимальное коллективное решение с помощью специальных методов-«корректоров». В качестве корректирующих методов используются различные подходы.

11. Методы кластерного анализа (автоматической классификации или обучения без учителя).

Используются следующие известные подходы:

Алгоритмы иерархической группировки;

Кластеризация c критерием минимизации суммы квадратов отклонений;

Метод к-средних.

Возможно решение задачи классификации как при заданном, так и неизвестном числе классов.

12. Алгоритм построения коллективных решений задачи классификации.

Задача классификации решается в два этапа. Сначала находится набор различных решений (в виде покрытий или разбиений) при фиксированном числе классов с помощью различных алгоритмов Системы. Далее находится оптимальная коллективная классификация в результате решения специальной дискретной оптимизационной задачи.

В прошлом году компания «Авито» провела целый ряд конкурсов. В том числе - конкурс по распознаванию марок автомобилей, победитель которого, Евгений Нижибицкий, рассказал на тренировке о своём решении.

Постановка задачи . По изображениям автомобилей необходимо определить марку и модель. Метрикой служила точность предсказаний, то есть доля правильных ответов. Выборка состояла из трёх частей: первая часть была доступна для обучения изначально, вторая была дана позже, а на третьей требовалось показать финальные предсказания.

Вычислительные ресурсы . Я воспользовался домашним компьютером, который обогревал мою комнату всё это время, и предоставленными на работе серверами.

Обзор моделей . Раз наша задача - на распознавание, то первым делом хочется воспользоваться прогрессом в уровне качества классификации изображений на всем известном ImageNet . Как известно, современные архитектуры позволяют достигнуть даже более высокого качества, чем у человека. Поэтому я начал с обзора свежих статей и собрал сводную таблицу архитектур, реализаций и качеств на основе ImageNet.

Заметим, что наилучшее качество достигается на архитектурах и .

Fine-tuning сетей . Обучать глубокую нейронную сеть с нуля - довольно затратное по времени занятие, к тому же не всегда эффективное с точки зрения результата. Поэтому часто используется техника дообучения сетей: берётся уже обученная на ImageNet сеть, последний слой заменяется на слой с нужным количеством классов, а потом продолжается настройка сети с низким темпом обучения, но уже на данных из конкурса. Такая схема позволяет обучить сеть быстрее и с более высоким качеством.

Первый подход к дообучению GoogLeNet показал примерно 92% точности при валидации.

Предсказания на кропах . Используя нейронную сеть для предсказания на тестовой выборке, можно улучшить качество. Для этого следует выреза́ть фрагменты подходящего размера в разных местах исходной картинки, после чего усреднять результаты. Кроп 1x10 означает, что взят центр изображения, четыре угла, а потом всё то же самое, но отражённое по горизонтали. Как видно, качество возрастает, однако время предсказания увеличивается.

Валидация результатов . После появления выдачи второй части выборки я разбил выборку на несколько частей. Все дальнейшие результаты показаны на этом разбиении.

ResNet-34 Torch . Можно воспользоваться готовым репозиторием авторов архитектуры, но, чтобы получить предсказания на тесте в нужном формате, приходится исправлять некоторые скрипты. Кроме того, нужно решать проблемы большого потребления памяти дампами. Точность при валидации - около 95%.

Inception-v3 TensorFlow . Тут тоже использовалась готовая реализация, но была изменена предобработка изображений, а также ограничена обрезка картинок при генерации батча. Итог - почти 96% точности.

Ансамбль моделей . В итоге получилось две модели ResNet и две модели Inception-v3. Какое качество при валидации можно получить, смешивая модели? Вероятности классов усреднялись с помощью геометрического среднего. Веса (в данном случае - степени) подбирались на отложенной выборке.

Результаты . Обучение ResNet на GTX 980 занимало 60 часов, а Inception-v3 на TitanX - 48 часов. За время конкурса удалось опробовать новые фреймворки с новыми архитектурами.

Задача классификации клиентов банка

Ссылка на Kaggle .

Станислав Семёнов рассказывает, как он и другие участники топа Kaggle объединились и заняли призовое место в соревновании по классификации заявок клиентов крупного банка - BNP Paribas .

Постановка задачи . По обфусцированным данных из заявок на страхование необходимо предсказать, можно ли без дополнительных ручных проверок подтвердить запрос. Для банка это процесс автоматизации обработки заявок, а для аналитиков данных - просто задача машинного обучения по бинарной классификации. Имеется около 230 тысяч объектов и 130 признаков. Метрика - LogLoss . Стоит отметить, что команда-победитель расшифровала данные, что помогло им выиграть соревнование.

Избавление от искусственного шума в признаках . Первым делом стоит посмотреть на данные. Cразу бросаются в глаза несколько вещей. Во-первых, все признаки принимают значения от 0 до 20. Во-вторых, если посмотреть на распределение любого из признаков, то можно увидеть следующую картинку:

Почему так? Дело в том, что на этапе анонимизации и зашумления данных ко всем значениям прибавлялся случайный шум, а потом проводилось масштабирование на отрезок от 0 до 20. Обратное преобразование было проведено в два шага: сначала значения округлялись до некоторого знака после запятой, а потом подбирался деноминатор. Требовалось ли это, если дерево всё равно подбирает порог при разбиении? Да, после обратного преобразования разности переменных начинают нести больший смысл, а для категориальных переменных появляется возможность провести one-hot кодирование.

Удаление линейно зависимых признаков . Ещё мы заметили, что некоторые признаки являются суммой других. Понятно, что они не нужны. Для их определения брались подмножества признаков. На таких подмножествах строилась регрессия для предсказания некоторой другой переменной. И если предсказанные значения были близки к истинным (стоит учесть искусственное зашумление), то признак можно было удалить. Но команда не стала с этим возиться и воспользовалась уже готовым набором фильтрованных признаков. Набор подготовил кто-то другой. Одна из особенностей Kaggle - наличие форума и публичных решений, с помощью которых участники делятся своими находками.

Как понять, что нужно использовать? Есть небольшой хак. Предположим, вы знаете, что кто-то в старых соревнованиях использовал некоторую технику, которая помогла ему занять высокое место (на форумах обычно пишут краткие решения). Если в текущем конкурсе этот участник снова в числе лидеров - скорее всего, такая же техника выстрелит и здесь.

Кодирование категориальных переменных . Бросилось в глаза то, что некая переменная V22 имеет большое число значений, но при этом, если взять подвыборку по некоторому значению, число уровней (различных значений) других переменных заметно уменьшается. В том числе имеет место хорошая корреляция с целевой переменной. Что можно сделать? Самое простое решение - построить для каждого значения V22 отдельную модель, но это всё равно что в первом сплите дерева сделать разбиение по всем значениям переменной.

Есть другой способ использования полученной информации - кодирование средним значением целевой переменной. Другими словами, каждое значение категориальной переменной заменяется средним значением таргета по объектам, у которых данный признак принимает то же самое значение. Произвести такое кодирование напрямую для всего обучающего множества нельзя: в процессе мы неявно внесём в признаки информацию о целевой переменной. Речь идёт об информации, которую почти любая модель обязательно обнаружит.

Поэтому такие статистики считают по фолдам. Вот пример:

Предположим, что данные разбиты на три части. Для каждого фолда обучающей выборки будем считать новый признак по двум другим фолдам, а для тестовой выборки - по всему обучающему множеству. Тогда информация о целевой переменной будет внесена в выборку не так явно, и модель сможет использовать полученные знания.

Останутся ли проблемы ещё с чем-нибудь? Да - с редко встречающимися категориями и с кросс-валидацией.

Редко встречающиеся категории . Допустим, некоторая категория встретилась всего несколько раз и соответствующие объекты относятся к классу 0. Тогда среднее значение целевой переменной тоже будет нулевым. Однако на тестовой выборке может возникнуть совсем другая ситуация. Решение - сглаженное среднее (или smoothed likelihood), которое вычисляется по следующей формуле:

Здесь global mean - среднее значение целевой переменной по всей выборке, nrows - то, сколько раз встретилось конкретное значение категориальной переменной, alpha - параметр регуляризации (например, 10). Теперь, если некоторое значение встречается редко, больший вес будет иметь глобальное среднее, а если достаточно часто, результат окажется близким к начальному среднему по категории. Кстати, эта формула позволяет обрабатывать и неизвестные ранее значения категориальной переменной.

Кросс-валидация . Допустим, мы посчитали все сглаженные средние для категориальных переменных по другим фолдам. Можем ли мы оценить качество модели по стандартной кросс-валидации k-fold? Нет. Давайте рассмотрим пример.

К примеру, мы хотим оценить модель на третьем фолде. Мы обучаем модель на первых двух фолдах, но в них есть новая переменная со средним значением целевой переменной, при подсчёте которой мы уже использовали третий тестовый фолд. Это не позволяет нам корректно оценивать результаты, но возникшая проблема решается подсчётом статистик по фолдам внутри фолдов. Снова обратимся к примеру:

Мы по-прежнему хотим оценить модель на третьем фолде. Разобьём первые два фолда (обучающую выборку нашей оценки) на некоторые другие три фолда, в них посчитаем новый признак по уже разобранному сценарию, а для третьего фолда (это тестовая выборка нашей оценки) посчитаем по первым двум фолдам вместе. Тогда никакая информация из третьего фолда при обучении модели использоваться не будет и оценка получится честной. В соревновании, которое мы обсуждаем, корректно оценить качество модели позволяла только такая кросс-валидация. Разумеется, «внешнее» и «внутреннее» число фолдов может быть любым.

Построение признаков . Мы использовали не только уже упомянутые сглаженные средние значения целевой переменной, но и weights of evidence. Это почти то же самое, но с логарифмическим преобразованием. Кроме того, полезными оказались фичи вида разности количества объектов положительного и отрицательного классов в группе без какой-либо нормировки. Интуиция тут следующая: масштаб показывает степень уверенности в классе, но что делать с количественными признаками? Ведь если их обработать похожим образом, то все значения «забьются» регуляризацией глобальным средним. Одним из вариантов является разделение значений на бины, которые потом считаются отдельными категориями. Другой способ заключается просто в построении некой линейной модели на одном признаке с тем же таргетом. Всего получилось около двух тысяч признаков из 80 отфильтрованных.

Стекинг и блендинг . Как и в большинстве соревнований, важной частью решения является стекинг моделей. Если кратко, то суть стекинга в том, что мы передаём предсказания одной модели как признак в другую модель. Однако важно в очередной раз не переобучиться. Давайте просто разберём пример:

Взято из блога Александра Дьяконова

К примеру, мы решили разбить нашу выборку на три фолда на этапе стекинга. Аналогично подсчёту статистик мы должны обучать модель на двух фолдах, а предсказанные значения добавлять для оставшегося фолда. Для тестовой выборки можно усреднить предсказания моделей с каждой пары фолдов. Каждым уровнем стекинга называют процесс добавления группы новых признаков-предсказаний моделей на основе имеющегося датасета.

На первом уровне у команды было 200-250 различных моделей, на втором - ещё 20-30, на третьем - ещё несколько. Результат - блендинг, то есть смешивание предсказаний различных моделей. Использовались разнообразные алгоритмы: градиентные бустинги с разными параметрами, случайные леса, нейронные сети. Главная идея - применить максимально разнообразные модели с различными параметрами, даже если они дают не самое высокое качество.

Работа в команде . Обычно участники объединяются в команды перед завершением конкурса, когда у каждого уже имеются свои наработки. Мы объединились в команду с другими «кэглерами» ещё в самом начале. У каждого участника команды была папка в общем облаке, где размещались датасеты и скрипты. Общую процедуру кросс-валидации утвердили заранее, чтобы можно было сравнивать между собой. Роли распределялись следующим образом: я придумывал новые признаки, второй участник строил модели, третий - отбирал их, а четвёртый управлял всем процессом.

Откуда брать мощности . Проверка большого числа гипотез, построение многоуровневого стекинга и обучение моделей могут занимать слишком большое время, если использовать ноутбук. Поэтому многие участники пользуются вычислительными серверами с большим количеством ядер и оперативной памяти. Я обычно пользуюсь серверами AWS , а участники моей команды, как оказалось, используют для конкурсов машины на работе, пока те простаивают.

Общение с компанией-организатором . После успешного выступления в конкурсе происходит общение с компанией в виде совместного конференц-звонка. Участники рассказывают о своём решении и отвечают на вопросы. В BNP людей не удивил многоуровневый стекинг, а интересовало их, конечно же, построение признаков, работа в команде, валидация результатов - всё, что может им пригодиться в улучшении собственной системы.

Нужно ли расшифровывать датасет . Команда-победитель заметила в данных одну особенность. Часть признаков имеет пропущенные значения, а часть не имеет. То есть некоторые характеристики не зависели от конкретных людей. Кроме того, получилось 360 уникальных значений. Логично предположить, что речь идёт о неких временных отметках. Оказалось, если взять разность между двумя такими признаки и отсортировать по ней всю выборку, то сначала чаще будут идти нули, а потом единицы. Именно этим и воспользовались победители.

Наша команда заняла третье место. Всего участвовало почти три тысячи команд.

Задача распознавания категории объявления

Ссылка на DataRing .

Это ещё один конкурс «Авито». Он проходил в несколько этапов, первый из которых (как, впрочем, ещё и третий) выиграл Артур Кузин .

Постановка задачи . По фотографиям из объявления необходимо определить категорию. Каждому объявлению соответствовало от одного до пяти изображений. Метрика учитывала совпадения категорий на разных уровнях иерархии - от общих к более узким (последний уровень содержит 194 категории). Всего в обучающей выборке был почти миллион изображений, что близко к размеру ImageNet.

Сложности распознавания . Казалось бы, надо всего лишь научиться отличать телевизор от машины, а машину от обуви. Но, например, есть категория «британские кошки», а есть «другие кошки», и среди них встречаются очень похожие изображения - хотя отличить их друг от друга всё-таки можно. А как насчёт шин, дисков и колёс? Тут и человек не справится. Указанные сложности - причина появления некоторого предела результатов всех участников.

Ресурсы и фреймворк . У меня в распоряжении оказались три компьютера с мощными видеокартами: домашний, предоставленный лабораторией в МФТИ и компьютер на работе. Поэтому можно было (и приходилось) обучать по несколько сетей одновременно. В качестве основного фреймворка обучения нейронных сетей был выбран MXNet , созданный теми же ребятами, которые написали всем известный XGBoost . Одно это послужило поводом довериться их новому продукту. Преимущество MXNet в том, что прямо из коробки доступен эффективный итератор со штатной аугментацией, которой достаточно для большинства задач.

Архитектуры сетей . Опыт участия в одном из прошлых соревнований показал, что лучшее качество показывают архитектуры серии Inception. Их я и задействовал здесь. В GoogLeNet была добавлена , поскольку она ускоряла обучение модели. Также использовались архитектуры Inception-v3 и Inception BN из библиотеки моделей Model Zoo , в которые был добавлен дропаут перед последним полносвязным слоем. Из-за технических проблем не удавалось обучать сеть с помощью стохастического градиентного спуска, поэтому в качестве оптимизатора использовался Adam.

Аугментация данных . Для повышения качества сети использовалась аугментация - добавление искажённых изображений в выборку с целью увеличения разнообразия данных. Были задействованы такие преобразования, как случайное обрезание фотографии, отражение, поворот на небольшой угол, изменение соотношения сторон и сдвиг.

Точность и скорость обучения . Сначала я разделил выборку на три части, но потом отказался от одного из этапов валидации для смешивания моделей. Поэтому впоследствии вторая часть выборки была добавлена в обучающее множество, что улучшило качество сетей. Кроме того, GoogLeNet изначально обучался на Titan Black, у которого вдвое меньше памяти по сравнению с Titan X. Так что эта сеть была дообучена с большим размером батча, и её точность возросла. Если посмотреть на время обучения сетей, можно сделать вывод, что в условиях ограниченных сроков не стоит использовать Inception-v3, поскольку с двумя другими архитектурами обучение идёт заметно быстрее. Причина в числе параметров. Быстрее всех учится Inception BN.

Построение предсказаний .

Как и Евгений в конкурсе с марками автомобилей, Артур использовал предсказания на кропах - но не на 10 участках, а на 24. Участками послужили углы, их отражения, центр, повороты центральных частей и ещё десять случайных.

Если сохранять состояние сети после каждой эпохи, в результате образуется множество различных моделей, а не только финальная сеть. С учётом оставшегося до конца соревнования времени я мог использовать предсказания 11 моделей-эпох - поскольку построение предсказаний с помощью сети тоже длится немало. Все указанные предсказания усреднялись по следующей схеме: сначала с помощью арифметического среднего в рамках групп по кропам, далее с помощью геометрического среднего с весами, подобранными на валидационном множестве. Эти три группы смешиваются, потом повторяем операцию для всех эпох. В конце вероятности классов всех картинок одного объявления усредняются с помощью геометрического среднего без весов.

Результаты . При подборе весов на этапе валидации использовалась метрика соревнования, поскольку она не слишком коррелировала с обычной точностью. Предсказание на разных участках изображений даёт лишь малую часть качества по сравнению с единым предсказанием, но именно за счёт этого прироста удаётся показать лучший результат. По окончании конкурса выяснилось, что первые три места отличаются в результатах на тысячные доли. Например, у Женя Нижибицкого была единственная модель, которая совсем немного уступила моему ансамблю моделей.

Обучение с нуля vs. fine-tuning . Уже после завершения конкурса выяснилось, что несмотря на большой размер выборки стоило обучать сеть не с нуля, а при помощи предобученной сети. Этот подход демонстрирует более высокие результаты.

Задача обучения с подкреплением

Соревнование Black Box Challenge, о котором , было не совсем похоже на обычный «кэгл». Дело в том, что для решения было недостаточно разметить некоторую «тестовую» выборку. Требовалось запрограммировать и загрузить в систему код «агента», который помещался в неизвестную участнику среду и самостоятельно принимал в ней решения. Такие задачи относятся к области обучения с подкреплением - reinforcement learning.

О подходах к решению рассказал Михаил Павлов из компании 5vision. В конкурсе он занял второе место.

Постановка задачи . Для среды с неизвестными правилами нужно было написать «агента», который взаимодействовал бы с указанной средой. Схематично это некий мозг, который получает от чёрного ящика информацию о состоянии и награде, принимает решение о действии, после чего получает новое состояние и награду за совершённое действие. Действия повторяются друг за другом в течение игры. Текущее состояние описывается вектором из 36 чисел. Агент может совершить четыре действия. Цель - максимизировать сумму наград за всю игру.

Анализ среды . Изучение распределения переменных состояния среды показало, что первые 35 компонент не зависят от выбранного действия и только 36-я компонента меняется в зависимости от него. При этом разные действия влияли по-разному: некоторые увеличивали или уменьшали, некоторые никак не меняли. Но нельзя сказать, что вся среда зависит от одной компоненты: в ней могут быть и некие скрытые переменные. Кроме того, эксперимент показал, что если совершать более 100 одинаковых действий подряд, то награда становится отрицательной. Так что стратегии вида «совершать только одно действие» отпадали сразу. Кто-то из участников соревнования заметил, что награда пропорциональна всё той же 36-й компоненте. На форуме прозвучало предположение, что чёрный ящик имитирует финансовый рынок, где портфелем является 36-я компонента, а действиями - покупка, продажа и решение ничего не делать. Эти варианты соотносились с изменением портфеля, а смысл одного действия понятен не был.

Q-learning . Во время участия основной целью было попробовать различные техники обучения с подкреплением. Одним из самых простых и известных методов является q-learning. Его суть в попытке построить функцию Q, которая зависит от состояния и выбранного действия. Q оценивает, насколько «хорошо» выбирать конкретное действие в конкретном состоянии. Понятие «хорошо» включает в себя награду, которую мы получим не только сейчас, но и будущем. Обучение такой функции происходит итеративно. Во время каждой итерации мы пытаемся приблизить функцию к самой себе на следующем шаге игры с учётом награды, полученной сейчас. Подробнее можно почитать . Применение q-learning предполагает работу с полностью наблюдаемыми марковскими процессами (другими словами, в текущем состоянии должна содержаться вся информация от среды). Несмотря на то, что среда, по заявлению организаторов, не удовлетворяла этому требованию, применять q-learning можно было достаточно успешно.

Адаптация к black box . Опытным путём было установлено, что для среды лучше всего подходил n-step q-learning, где использовалась награда не за одно последнее действие, а за n действий вперёд. Среда позволяла сохранять текущее состояние и откатываться к нему, что облегчало сбор выборки - можно было из одного состояния попробовать совершить каждое действие, а не какое-то одно. В самом начале обучения, когда q-функция ещё не умела оценивать действия, использовалась стратегия «совершать действие 3». Предполагалось, что оно ничего не меняло и можно было начать обучаться на данных без шума.

Процесс обучения . Обучение происходило так: с текущей политикой (стратегией агента) играем весь эпизод, накапливая выборку, потом с помощью полученной выборки обновляем q-функцию и так далее - последовательность повторяется в течение некоторого количества эпох. Результаты получались лучше, чем при обновлении q-функции в процессе игры. Другие способы - техника replay memory (с общим банком данных для обучения, куда заносятся новые эпизоды игры) и одновременное обучение нескольких агентов, играющих асинхронно, - тоже оказалось менее эффективными.

Модели . В решении использовались три регрессии (каждая по одному разу в расчёте на каждое действие) и две нейронных сети. Были добавлены некоторые квадратичные признаки и взаимодействия. Итоговая модель представляет собой смесь всех пяти моделей (пяти Q-функций) с равными весами. Кроме того, использовалось онлайн-дообучение: в процессе тестирования веса́ старых регрессий подмешивались к новым весам, полученным на тестовой выборке. Это делалось только для регрессий, поскольку их решения можно выписывать аналитически и пересчитывать достаточно быстро.

Другие идеи . Естественно, не все идеи улучшали итоговый результат. Например, дисконтирование награды (когда мы не просто максимизируем суммарную награду, а считаем каждый следующий ход менее полезным), глубокие сети, dueling-архитектура (с оценкой полезности состояния и каждого действия в отдельности) не дали роста результатов. Из-за технических проблем не получилось применить рекуррентные сети - хотя в ансамбле с другими моделями они, возможно, обеспечили бы некоторую пользу.

Итоги . Команда 5vision заняла второе место, но с совсем небольшим отрывом от обладателей «бронзы».

Итак, зачем нужно участвовать в соревнованиях по анализу данных?

• Призы. Успешное выступление в большинстве соревнований вознаграждается денежными призами или другими ценными подарками. На Kaggle за семь лет разыграли более семи миллионов долларов.
• Карьера. Иногда призовое место .
• Опыт. Это, конечно, самое главное. Можно изучить новую область и начать решать задачи, с которыми вы раньше не сталкивались.

Сейчас тренировки по машинному обучению проводятся по субботам каждую вторую неделю. Место проведения - московский офис Яндекса, стандартное число гостей (гости плюс яндексоиды) - 60-80 человек. Главным свойством тренировок служит их злободневность: всякий раз разбирается конкурс, завершившийся одну-две недели назад. Это мешает всё точно спланировать, но зато конкурс ещё свеж в памяти и в зале собирается много людей, попробовавших в нём свои силы. Курирует тренировки Эмиль Каюмов, который, кстати, помог с написанием этого поста.

Кроме того, есть другой формат: зарешивания, где начинающие специалисты совместными усилиями участвуют в действующих конкурсах. Зарешивания проводятся по тем субботам, когда нет тренировок. На мероприятия обоих типов может прийти любой, анонсы публикуются в группах

Кластерный анализ это

Доброго времени суток. Вот есть у меня уважение к людям, которые являются фанатами своего дела.

Максим, мой друг, относится именно к этой категории. Постоянно работает с цифрами, анализирует их, делает соответствующие отчеты.

Вчера вместе обедали, так почти полчаса рассказывал мне про кластерный анализ – что это и в каких случаях его применения является обоснованным и целесообразным. Ну а я что?

Память у меня хорошая, поэтому все эти данные, к слову, о которых я и так знала, предоставлю вам в первозданном и максимально информативном виде.

Кластерный анализ предназначен для разбиения совокупности объектов на однородные группы (кластеры или классы). Это задача многомерной классификации данных.

Существует около 100 разных алгоритмов кластеризации, однако, наиболее часто используемые — иерархический кластерный анализ и кластеризация методом k-средних.

Где применяется кластерный анализ? В маркетинге это сегментация конкурентов и потребителей.

В менеджменте: разбиение персонала на различные по уровню мотивации группы, классификация поставщиков, выявление схожих производственных ситуаций, при которых возникает брак.

В медицине — классификация симптомов, пациентов, препаратов. В социологии — разбиение респондентов на однородные группы. По сути кластерный анализ хорошо зарекомендовал себя во всех сферах жизнедеятельности человека.

Прелесть данного метода — он работает даже тогда, когда данных мало и невыполняются требования нормальности распределений случайных величин и другие трбования классических методов статистического анализа.

Поясним суть кластерного анализа, не прибегая к строгой терминологии:
допустим, Вы провели анкетирование сотрудников и хотите определить, каким образом можно наиболее эффективно управлять персоналом.

То есть Вы хотите разделить сотрудников на группы и для каждой из них выделить наиболее эффективные рычаги управления. При этом различия между группами должны быть очевидными, а внутри группы респонденты должны быть максимально похожи.

Для решения задачи предлагается использовать иерархический кластерный анализ.

В результате мы получим дерево, глядя на которое мы должны определиться на сколько классов (кластеров) мы хотим разбить персонал.

Предположим, что мы решили разбить персонал на три группы, тогда для изучения респондентов, попавших в каждый кластер получим табличку примерно следующего содержания:

Поясним, как сформирована приведенная выше таблица. В первом столбце расположен номер кластера — группы, данные по которой отражены в строке.

Например, первый кластер на 80% составляют мужчины. 90% первого кластера попадают в возрастную категорию от 30 до 50 лет, а 12% респондентов считает, что льготы очень важны. И так далее.

Попытаемся составить портреты респондентов каждого кластера:

1. Первая группа — в основном мужчины зрелого возраста, занимающие руководящие позиции. Соцпакет (MED, LGOTI, TIME-своб время) их не интересует. Они предпочитают получать хорошую зарплату, а не помощь от работодателя.
2. Группа два наоборот отдает предпочтение соцпакету. Состоит она, в основном, из людей «в возрасте», занимающих невысокие посты. Зарплата для них безусловно важна, но есть и другие приоритеты.
3. Третья группа наиболее «молодая». В отличие от предыдущих двух, очевиден интерес к возможностям обучения и профессионального роста. У этой категории сотрудников есть хороший шанс в скором времени пополнить первую группу.

Таким образом, планируя кампанию по внедрению эффективных методов управления персоналом, очевидно, что в нашей ситуации можно увеличить соцпакет у второй группы в ущерб, к примеру, зарплате.

Если говорить о том, каких специалистов следует направлять на обучение, то можно однозначно рекомендовать обратить внимание на третью группу.

Источник: http://www.nickart.spb.ru/analysis/cluster.php

Особенности кластерного анализа

Кластер - это цена актива в определенный промежуток времени, на котором совершались сделки. Результирующий объём покупок и продаж указан цифрой внутри кластера.

Бар любого ТФ вмещает в себя,как правило, несколько кластеров. Это позволяет детально видеть объемы покупок, продаж и их баланс в каждом отдельном баре, по каждому ценовому уровню.

Изменение цены одного актива, неизбежно влечёт за собой цепочку ценовых движений и на других инструментах.

Внимание!

В большинстве случаев понимание трендового движения происходит уже в тот момент, когда оно бурно развивается, и вход в рынок по тренду чреват попаданием в коррекционную волну.

Для успешных сделок необходимо понимать текущую ситуацию и уметь предвидеть будущие ценовые движения. Этому можно научиться, анализируя график кластеров.

С помощью кластерного анализа можно видеть активность участников рынка внутри даже самого маленького ценового бара. Это наиболее точный и детальный анализ, так как показывает точечное распределение объёмов сделок по каждому ценовому уровню актива.

На рынке постоянно идёт противоборство интересов продавцов и покупателей. И каждое самое маленькое движение цены (тик), является тем ходом к компромиссу – ценовому уровню - который в данный момент устраивает обе стороны.

Но рынок динамичен, количество продавцов и покупателей непрерывно изменяется. Если в один момент времени на рынке доминировали продавцы, то в следующий момент, вероятнее всего, будут покупатели.

Не одинаковым оказывается и количество совершённых сделок на соседних ценовых уровнях. И всё же сначала рыночная ситуация отражается на суммарных объёмах сделок, а уж затем на цене.

Если видеть действия доминирующих участников рынка (продавцов или покупателей), то можно предсказывать и само движение цены.

Для успешного применения кластерного анализа прежде всего следует понять, что такое кластер и дельта.

Кластером называют ценовое движение, которое разбито на уровни, на которых совершались сделки с известными объёмами. Дельта показывает разницу между покупками и продажами, происходящими в каждом кластере.

Каждый кластер, или группа дельт, позволяет разобраться в том, покупатели или продавцы преобладают на рынке в данный момент времени.

Достаточно лишь подсчитать общую дельту, просуммировав продажи и покупки. Если дельта отрицательна, то рынок перепродан, на нём избыточными являются сделки на продажу. Когда же дельта положительна, то на рынке явно доминируют покупатели.

Сама дельта может принимать нормальное или критическое значение. Значение объёма дельты сверх нормального в кластере выделяют красным цветом.

Если дельта умеренна, то это характеризует флетовое состояние на рынке. При нормальном значении дельты на рынке наблюдается трендовое движение, а вот критическое значение всегда является предвестником разворота цены.

Торговля на Форекс с помощью КА

Для получения максимальной прибыли нужно уметь определить переход дельты из умеренного уровня в нормальный. Ведь в этом случае можно заметить само начало перехода от флета к трендовому движению и суметь получить наибольшую прибыль.

Более наглядным является кластерный график на нём можно увидеть значимые уровни накопления и распределения объемов, построить уровни поддержки и сопротивления. Это позволяет трейдеру найти точный вход в сделку.

Используя дельту, можно судить о преобладании на рынке продаж или покупок. Кластерный анализ позволяет наблюдать сделки и отслеживать их объёмы внутри бара любого ТФ.

Особо это важно при подходе к значимым уровням поддержки или сопротивления. Суждения по кластерам - ключ к пониманию рынка.

Источник: http://orderflowtrading.ru/analitika-rynka/obemy/klasternyy-analiz/

Области и особенности применения анализа кластеров

Термин кластерный анализ (впервые ввел Tryon, 1939) в действительности включает в себя набор различных алгоритмов классификации.

Общий вопрос, задаваемый исследователями во многих областях, состоит в том, как организовать наблюдаемые данные в наглядные структуры, т.е. развернуть таксономии.

В соответствии с современной системой, принятой в биологии, человек принадлежит к приматам, млекопитающим, амниотам, позвоночным и животным.

Заметьте, что в этой классификации, чем выше уровень агрегации, тем меньше сходства между членами в соответствующем классе.

Человек имеет больше сходства с другими приматами (т.е. с обезьянами), чем с «отдаленными» членами семейства млекопитающих (например, собаками) и т.д.

Заметим, что предыдущие рассуждения ссылаются на алгоритмы кластеризации, но ничего не упоминают о проверке статистической значимости.

Фактически, кластерный анализ является не столько обычным статистическим методом, сколько «набором» различных алгоритмов «распределения объектов по кластерам».

Существует точка зрения, что в отличие от многих других статистических процедур, методы кластерного анализа используются в большинстве случаев тогда, когда вы не имеете каких-либо априорных гипотез относительно классов, но все еще находитесь в описательной стадии исследования.

Внимание!

Следует понимать, что кластерный анализ определяет «наиболее возможно значимое решение».

Поэтому проверка статистической значимости в действительности здесь неприменима, даже в случаях, когда известны p-уровни (как, например, в методе K средних).

Техника кластеризации применяется в самых разнообразных областях. Хартиган (Hartigan, 1975) дал прекрасный обзор многих опубликованных исследований, содержащих результаты, полученные методами кластерного анализа.

Например, в области медицины кластеризация заболеваний, лечения заболеваний или симптомов заболеваний приводит к широко используемым таксономиям.

В области психиатрии правильная диагностика кластеров симптомов, таких как паранойя, шизофрения и т.д., является решающей для успешной терапии. В археологии с помощью кластерного анализа исследователи пытаются установить таксономии каменных орудий, похоронных объектов и т.д.

Известны широкие применения кластерного анализа в маркетинговых исследованиях. В общем, всякий раз, когда необходимо классифицировать «горы» информации к пригодным для дальнейшей обработки группам, кластерный анализ оказывается весьма полезным и эффективным.

Древовидная кластеризация

Приведенный в разделе Основная цель пример поясняет цель алгоритма объединения (древовидной кластеризации).

Назначение этого алгоритма состоит в объединении объектов (например, животных) в достаточно большие кластеры, используя некоторую меру сходства или расстояние между объектами. Типичным результатом такой кластеризации является иерархическое дерево.

Рассмотрим горизонтальную древовидную диаграмму. Диаграмма начинается с каждого объекта в классе (в левой части диаграммы).

Теперь представим себе, что постепенно (очень малыми шагами) вы «ослабляете» ваш критерий о том, какие объекты являются уникальными, а какие нет.

Другими словами, вы понижаете порог, относящийся к решению об объединении двух или более объектов в один кластер.

В результате, вы связываете вместе всё большее и большее число объектов и агрегируете (объединяете) все больше и больше кластеров, состоящих из все сильнее различающихся элементов.

Окончательно, на последнем шаге все объекты объединяются вместе. На этих диаграммах горизонтальные оси представляют расстояние объединения (в вертикальных древовидных диаграммах вертикальные оси представляют расстояние объединения).

Так, для каждого узла в графе (там, где формируется новый кластер) вы можете видеть величину расстояния, для которого соответствующие элементы связываются в новый единственный кластер.

Когда данные имеют ясную «структуру» в терминах кластеров объектов, сходных между собой, тогда эта структура, скорее всего, должна быть отражена в иерархическом дереве различными ветвями.

В результате успешного анализа методом объединения появляется возможность обнаружить кластеры (ветви) и интерпретировать их.

Объединение или метод древовидной кластеризации используется при формировании кластеров несходства или расстояния между объектами. Эти расстояния могут определяться в одномерном или многомерном пространстве.

Например, если вы должны кластеризовать типы еды в кафе, то можете принять во внимание количество содержащихся в ней калорий, цену, субъективную оценку вкуса и т.д.

Наиболее прямой путь вычисления расстояний между объектами в многомерном пространстве состоит в вычислении евклидовых расстояний.

Если вы имеете двух- или трёхмерное пространство, то эта мера является реальным геометрическим расстоянием между объектами в пространстве (как будто расстояния между объектами измерены рулеткой).

Однако алгоритм объединения не «заботится» о том, являются ли «предоставленные» для этого расстояния настоящими или некоторыми другими производными мерами расстояния, что более значимо для исследователя; и задачей исследователей является подобрать правильный метод для специфических применений.

Евклидово расстояние. Это, по-видимому, наиболее общий тип расстояния. Оно попросту является геометрическим расстоянием в многомерном пространстве и вычисляется следующим образом:

Заметим, что евклидово расстояние (и его квадрат) вычисляется по исходным, а не по стандартизованным данным.

Это обычный способ его вычисления, который имеет определенные преимущества (например, расстояние между двумя объектами не изменяется при введении в анализ нового объекта, который может оказаться выбросом).

Внимание!

Тем не менее, на расстояния могут сильно влиять различия между осями, по координатам которых вычисляются эти расстояния. К примеру, если одна из осей измерена в сантиметрах, а вы потом переведете ее в миллиметры (умножая значения на 10), то окончательное евклидово расстояние (или квадрат евклидова расстояния), вычисляемое по координатам, сильно изменится, и, как следствие, результаты кластерного анализа могут сильно отличаться от предыдущих.

Квадрат евклидова расстояния. Иногда может возникнуть желание возвести в квадрат стандартное евклидово расстояние, чтобы придать большие веса более отдаленным друг от друга объектам.

Это расстояние вычисляется следующим образом:

Расстояние городских кварталов (манхэттенское расстояние). Это расстояние является просто средним разностей по координатам.

В большинстве случаев эта мера расстояния приводит к таким же результатам, как и для обычного расстояния Евклида.

Однако отметим, что для этой меры влияние отдельных больших разностей (выбросов) уменьшается (так как они не возводятся в квадрат). Манхэттенское расстояние вычисляется по формуле:

Расстояние Чебышева. Это расстояние может оказаться полезным, когда желают определить два объекта как «различные», если они различаются по какой-либо одной координате (каким-либо одним измерением). Расстояние Чебышева вычисляется по формуле:

Степенное расстояние. Иногда желают прогрессивно увеличить или уменьшить вес, относящийся к размерности, для которой соответствующие объекты сильно отличаются.

Это может быть достигнуто с использованием степенного расстояния. Степенное расстояние вычисляется по формуле:

где r и p — параметры, определяемые пользователем. Несколько примеров вычислений могут показать, как «работает» эта мера.

Параметр p ответственен за постепенное взвешивание разностей по отдельным координатам, параметр r ответственен за прогрессивное взвешивание больших расстояний между объектами. Если оба параметра — r и p, равны двум, то это расстояние совпадает с расстоянием Евклида.

Процент несогласия. Эта мера используется в тех случаях, когда данные являются категориальными. Это расстояние вычисляется по формуле:

Правила объединения или связи

На первом шаге, когда каждый объект представляет собой отдельный кластер, расстояния между этими объектами определяются выбранной мерой.

Однако когда связываются вместе несколько объектов, возникает вопрос, как следует определить расстояния между кластерами?

Другими словами, необходимо правило объединения или связи для двух кластеров. Здесь имеются различные возможности: например, вы можете связать два кластера вместе, когда любые два объекта в двух кластерах ближе друг к другу, чем соответствующее расстояние связи.

Другими словами, вы используете «правило ближайшего соседа» для определения расстояния между кластерами; этот метод называется методом одиночной связи.

Это правило строит «волокнистые» кластеры, т.е. кластеры, «сцепленные вместе» только отдельными элементами, случайно оказавшимися ближе остальных друг к другу.

Как альтернативу вы можете использовать соседей в кластерах, которые находятся дальше всех остальных пар объектов друг от друга. Этот метод называется метод полной связи.

Существует также множество других методов объединения кластеров, подобных тем, что были рассмотрены.

Одиночная связь (метод ближайшего соседа). Как было описано выше, в этом методе расстояние между двумя кластерами определяется расстоянием между двумя наиболее близкими объектами (ближайшими соседями) в различных кластерах.

Это правило должно, в известном смысле, нанизывать объекты вместе для формирования кластеров, и результирующие кластеры имеют тенденцию быть представленными длинными «цепочками».

Полная связь (метод наиболее удаленных соседей). В этом методе расстояния между кластерами определяются наибольшим расстоянием между любыми двумя объектами в различных кластерах (т.е. «наиболее удаленными соседями»).

Невзвешенное попарное среднее. В этом методе расстояние между двумя различными кластерами вычисляется как среднее расстояние между всеми парами объектов в них.

Метод эффективен, когда объекты в действительности формируют различные «рощи», однако он работает одинаково хорошо и в случаях протяженных («цепочного» типа) кластеров.

Отметим, что в своей книге Снит и Сокэл (Sneath, Sokal, 1973) вводят аббревиатуру UPGMA для ссылки на этот метод, как на метод невзвешенного попарного арифметического среднего — unweighted pair-group method using arithmetic averages.

Взвешенное попарное среднее. Метод идентичен методу невзвешенного попарного среднего, за исключением того, что при вычислениях размер соответствующих кластеров (т.е. число объектов, содержащихся в них) используется в качестве весового коэффициента.

Поэтому предлагаемый метод должен быть использован (скорее даже, чем предыдущий), когда предполагаются неравные размеры кластеров.

В книге Снита и Сокэла (Sneath, Sokal, 1973) вводится аббревиатура WPGMA для ссылки на этот метод, как на метод взвешенного попарного арифметического среднего — weighted pair-group method using arithmetic averages.

Невзвешенный центроидный метод. В этом методе расстояние между двумя кластерами определяется как расстояние между их центрами тяжести.

Внимание!

Снит и Сокэл (Sneath and Sokal (1973)) используют аббревиатуру UPGMC для ссылки на этот метод, как на метод невзвешенного попарного центроидного усреднения — unweighted pair-group method using the centroid average.

Взвешенный центроидный метод (медиана). тот метод идентичен предыдущему, за исключением того, что при вычислениях используются веса для учёта разницы между размерами кластеров (т.е. числами объектов в них).

Поэтому, если имеются (или подозреваются) значительные отличия в размерах кластеров, этот метод оказывается предпочтительнее предыдущего.

Снит и Сокэл (Sneath, Sokal 1973) использовали аббревиатуру WPGMC для ссылок на него, как на метод невзвешенного попарного центроидного усреднения — weighted pair-group method using the centroid average.

Метод Варда. Этот метод отличается от всех других методов, поскольку он использует методы дисперсионного анализа для оценки расстояний между кластерами.

Метод минимизирует сумму квадратов (SS) для любых двух (гипотетических) кластеров, которые могут быть сформированы на каждом шаге.

Подробности можно найти в работе Варда (Ward, 1963). В целом метод представляется очень эффективным, однако он стремится создавать кластеры малого размера.

Ранее этот метод обсуждался в терминах «объектов», которые должны быть кластеризованы. Во всех других видах анализа интересующий исследователя вопрос обычно выражается в терминах наблюдений или переменных.

Оказывается, что кластеризация, как по наблюдениям, так и по переменным может привести к достаточно интересным результатам.

Например, представьте, что медицинский исследователь собирает данные о различных характеристиках (переменные) состояний пациентов (наблюдений), страдающих сердечными заболеваниями.

Исследователь может захотеть кластеризовать наблюдения (пациентов) для определения кластеров пациентов со сходными симптомами.

В то же самое время исследователь может захотеть кластеризовать переменные для определения кластеров переменных, которые связаны со сходным физическим состоянием.е

После этого обсуждения, относящегося к тому, кластеризовать наблюдения или переменные, можно задать вопрос, а почему бы не проводить кластеризацию в обоих направлениях?

Модуль Кластерный анализ содержит эффективную двувходовую процедуру объединения, позволяющую сделать именно это.

Однако двувходовое объединение используется (относительно редко) в обстоятельствах, когда ожидается, что и наблюдения и переменные одновременно вносят вклад в обнаружение осмысленных кластеров.

Так, возвращаясь к предыдущему примеру, можно предположить, что медицинскому исследователю требуется выделить кластеры пациентов, сходных по отношению к определенным кластерам характеристик физического состояния.

Трудность с интерпретацией полученных результатов возникает вследствие того, что сходства между различными кластерами могут происходить из (или быть причиной) некоторого различия подмножеств переменных.

Поэтому получающиеся кластеры являются по своей природе неоднородными. Возможно это кажется вначале немного туманным; в самом деле, в сравнении с другими описанными методами кластерного анализа, двувходовое объединение является, вероятно, наименее часто используемым методом.

Однако некоторые исследователи полагают, что он предлагает мощное средство разведочного анализа данных (за более подробной информацией вы можете обратиться к описанию этого метода у Хартигана (Hartigan, 1975)).

Метод K средних

Этот метод кластеризации существенно отличается от таких агломеративных методов, как Объединение (древовидная кластеризация) и Двувходовое объединение. Предположим, вы уже имеете гипотезы относительно числа кластеров (по наблюдениям или по переменным).

Вы можете указать системе образовать ровно три кластера так, чтобы они были настолько различны, насколько это возможно.

Это именно тот тип задач, которые решает алгоритм метода K средних. В общем случае метод K средних строит ровно K различных кластеров, расположенных на возможно больших расстояниях друг от друга.

В примере с физическим состоянием, медицинский исследователь может иметь «подозрение» из своего клинического опыта, что его пациенты в основном попадают в три различные категории.

Внимание!

Если это так, то средние различных мер физических параметров для каждого кластера будут давать количественный способ представления гипотез исследователя (например, пациенты в кластере 1 имеют высокий параметр 1, меньший параметр 2 и т.д.).

С вычислительной точки зрения вы можете рассматривать этот метод, как дисперсионный анализ «наоборот». Программа начинает с K случайно выбранных кластеров, а затем изменяет принадлежность объектов к ним, чтобы:

1. минимизировать изменчивость внутри кластеров,
2. максимизировать изменчивость между кластерами.

Данный способ аналогичен методу «дисперсионный анализ (ANOVA) наоборот» в том смысле, что критерий значимости в дисперсионном анализе сравнивает межгрупповую изменчивость с внутригрупповой при проверке гипотезы о том, что средние в группах отличаются друг от друга.

В кластеризации методом K средних программа перемещает объекты (т.е. наблюдения) из одних групп (кластеров) в другие для того, чтобы получить наиболее значимый результат при проведении дисперсионного анализа (ANOVA).

Обычно, когда результаты кластерного анализа методом K средних получены, можно рассчитать средние для каждого кластера по каждому измерению, чтобы оценить, насколько кластеры различаются друг от друга.

В идеале вы должны получить сильно различающиеся средние для большинства, если не для всех измерений, используемых в анализе.

Источник: http://www.biometrica.tomsk.ru/textbook/modules/stcluan.html

Классификация объектов по характеризующим их признакам

Кластерный анализ (cluster analysis) – совокупность многомерных статистических методов классификации объектов по характеризующим их признакам, разделение совокупности объектов на однородные группы, близкие по определяющим критериям, выделение объектов определенной группы.

Кластер – это группы объектов, выделенные в результате кластерного анализа на основе заданной меры сходства или различий между объектами.

Объект – это конкретные предметы исследования, которые необходимо классифицировать. Объектами при классификации выступают, как правило, наблюдения. Например, потребители продукции, страны или регионы, товары и т.п.

Хотя можно проводить кластерный анализ и по переменным. Классификация объектов в многомерном кластерном анализе происходит по нескольким признакам одновременно.

Это могут быть как количественные, так и категориальные переменные в зависимости от метода кластерного анализа. Итак, главная цель кластерного анализа – нахождение групп схожих объектов в выборке.

Совокупность многомерных статистических методов кластерного анализа можно разделить на иерархические методы (агломеративные и дивизимные) и неиерархические (метод k-средних, двухэтапный кластерный анализ).

Однако общепринятой классификации методов не существует, и к методам кластерного анализа иногда относят также методы построения деревьев решений, нейронных сетей, дискриминантного анализа, логистической регрессии.

Сфера использования кластерного анализа, из-за его универсальности, очень широка. Кластерный анализ применяют в экономике, маркетинге, археологии, медицине, психологии, химии, биологии, государственном управлении, филологии, антропологии, социологии и других областях.

Вот несколько примеров применения кластерного анализа:

• медицина – классификация заболеваний, их симптомов, способов лечения, классификация групп пациентов;
• маркетинг – задачи оптимизации ассортиментной линейки компании, сегментация рынка по группам товаров или потребителей, определение потенциального потребителя;
• социология – разбиение респондентов на однородные группы;
• психиатрия – корректная диагностика групп симптомов является решающей для успешной терапии;
• биология – классификация организмов по группе;
• экономика – классификация субъектов РФ по инвестиционной привлекательности.

Источник: http://www.statmethods.ru/konsalting/statistics-metody/121-klasternyj-analiz.html

Общие сведения о кластерном анализе

Кластерный анализ включает в себя набор различных алгоритмов классификации. Общий вопрос, задаваемый исследователями во многих областях, состоит в том, как организовать наблюдаемые данные в наглядные структуры.

Например, биологи ставят цель разбить животных на различные виды, чтобы содержательно описать различия между ними.

Задача кластерного анализа состоит в разбиении исходной совокупности объектов на группы схожих, близких между собой объектов. Эти группы называют кластерами.

Другими словами, кластерный анализ – это один из способов классификации объектов по их признакам. Желательно, чтобы результаты классификации имели содержательную интерпретацию.

Результаты, полученные методами кластерного анализа, применяют в самых различных областях. В маркетинге – это сегментация конкурентов и потребителей.

В психиатрии для успешной терапии является решающей правильная диагностика симптомов, таких как паранойя, шизофрения и т.д.

В менеджменте важна классификация поставщиков, выявление схожих производственных ситуаций, при которых возникает брак. В социологии – разбиение респондентов на однородные группы. В портфельном инвестировании важно сгруппировать ценные бумаги по сходству в тенденции доходности, чтобы составить на основе полученных сведений о фондовом рынке оптимального инвестиционного портфеля, позволяющего максимизировать прибыль от вложений при заданной степени риска.

В общем, всякий раз, когда необходимо классифицировать большое количество информации такого рода и представлять её в виде, пригодном для дальнейшей обработки, кластерный анализ оказывается весьма полезным и эффективным.

Кластерный анализ позволяет рассматривать достаточно большой объём информации и сильно сжимать большие массивы социально-экономической информации, делать их компактными и наглядными.

Внимание!

Большое 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.

В задачах социально-экономического прогнозирования весьма перспективно сочетание кластерного анализа с другими количественными методами (например, с регрессионным анализом).

Преимущества и недостатки

Кластерный анализ позволяет провести объективную классификацию любых объектов, которые охарактеризованы рядом признаков. Из этого можно извлечь ряд преимуществ:

1. Полученные кластеры можно интерпретировать, то есть описывать, какие же собственно группы существуют.
2. Отдельные кластеры можно выбраковывать. Это полезно в тех случаях, когда при наборе данных допущены определённые ошибки, в результате которых значения показателей у отдельных объектов резко отклоняются. При применении кластерного анализа такие объекты попадают в отдельный кластер.
3. Для дальнейшего анализа могут быть выбраны только те кластеры, которые обладают интересующими характеристиками.

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 определённые искажения, а также могут теряться индивидуальные черты отдельных объектов за счёт замены их характеристиками обобщённых значений параметров кластера.

Методы

В настоящее время известно более сотни разных алгоритмов кластеризации. Их разнообразие объясняется не только разными вычислительными методами, но и различными концепциями, лежащими в основе кластеризации.

В пакете Statistica реализуются следующие методы кластеризации.

• Иерархические алгоритмы – древовидная кластеризация. В основе иерархических алгоритмов лежит идея последовательной кластеризации. На начальном шаге каждый объект рассматривается как отдельный кластер. На следующем шаге некоторые из ближайших друг к другу кластеров будут объединяться в отдельный кластер.
• Метод К-средних. Этот метод используется наиболее часто. Он относится к группе так называемых эталонных методов кластерного анализа. Число кластеров К задаётся пользователем.
• Двухвходовое объединение. При использовании этого метода кластеризация проводится одновременно как по переменным (столбцам), так и по результатам наблюдений (строкам).

Процедура двухвходового объединения производится в тех случаях, когда можно ожидать, что одновременная кластеризация по переменным и наблюдениям даст возможность получить осмысленные результаты.

Результатами процедуры являются описательные статистики по переменным и наблюдениям, а также двумерная цветная диаграмма, на которой цветом отмечаются значения данных.

По распределению цвета можно составить представление об однородных группах.

Нормирование переменных

Разбиение исходной совокупности объектов на кластеры связано с вычислением расстояний между объектами и выбора объектов, расстояние между которыми наименьшее из всех возможных.

Наиболее часто используется привычное всем нам евклидово (геометрическое) расстояние. Эта метрика отвечает интуитивным представлениям о близости объектов в пространстве (как будто расстояния между объектами измерены рулеткой).

Но для данной метрики на расстояние между объектами могут сильно влиять изменения масштабов (единиц измерения). Например, если один из признаков измерен в миллиметрах, а затем его значение переведены в сантиметры, евклидово расстояние между объектами сильно изменится. Это приведет к тому, что результаты кластерного анализа могут значительно отличаться от предыдущих.

Если переменные измерены в разных единицах измерения, то требуется их предварительная нормировка, то есть преобразование исходных данных, которое переводит их в безразмерные величины.

Нормировка сильно искажает геометрию исходного пространства, что может изменить результаты кластеризации

В пакете Statistica нормировка любой переменной x выполняется по формуле:

Для этого нужно щёлкнуть правой кнопкой мыши по имени переменной и в открывшемся меню выбрать последовательность команд: Fill/ Standardize Block/ Standardize Columns. Значения нормированной переменной станут равными нулю, а дисперсии – единице.

Метод К-средних в программе Statistica

Метод K-средних (K-means) разбивает множество объектов на заданное число K различных кластеров, расположенных на возможно больших расстояниях друг от друга.

Обычно, когда результаты кластерного анализа методом K-средних получены, можно рассчитать средние для каждого кластера по каждому измерению, чтобы оценить, насколько кластеры различаются друг от друга.

В идеале вы должны получить сильно различающиеся средние для большинства измерений, используемых в анализе.

Значения F-статистики, полученные для каждого измерения, являются другим индикатором того, насколько хорошо соответствующее измерение дискриминирует кластеры.

В качестве примера рассмотрим результаты опроса 17-ти сотрудников предприятия по удовлетворённости показателями качества служебной карьеры. В таблице даны ответы на вопросы анкеты по десятибалльной шкале (1 – минимальный балл, 10 – максимальный).

Имена переменных соответствуют ответам на следующие вопросы:

1. СЛЦ – сочетание личных целей и целей организации;
2. ОСО – ощущение справедливости в оплате труда;
3. ТБД – территориальная близость к дому;
4. ОЭБ – ощущение экономического благосостояния;
5. КР – карьерный рост;
6. ЖСР – желание сменить работу;
7. ОСБ – ощущение социального благополучия.

Используя эти данные, необходимо разделить сотрудников на группы и для каждой из них выделить наиболее эффективные рычаги управления.

При этом различия между группами должны быть очевидными, а внутри группы респонденты должны быть максимально похожи.

На сегодняшний день большинство социологических опросов дает лишь процентное соотношение голосов: считается основное количество положительно ответивших, либо процент неудовлетворённых, но системно этот вопрос не рассматривают.

Чаще всего опрос не показывает тенденции изменения ситуации. В некоторых случаях необходимо считать не количество человек, которые «за» или «против», а расстояние, или меру сходства, то есть определять группы людей, которые думают примерно одинаково.

Для выявления на основе данных опроса некоторых реально существующих взаимосвязей признаков и порождения на этой основе их типологии можно использовать процедуры кластерного анализа.

Внимание!

Наличие каких-либо априорных гипотез социолога при работе процедур кластерного анализа не является необходимым условием.

В программе Statistica кластерный анализ выполняется следующим образом.

При выборе количества кластеров руководствуйтесь следующим: количество кластеров, по возможности, не должно быть слишком большим.

Расстояние, на котором объединялись объекты данного кластера, должно быть, по возможности, гораздо меньше расстояния, на котором к этому кластеру присоединяется ещё что-либо.

При выборе количества кластеров чаще всего есть одновременно несколько правильных решений.

Нас интересует, например, как соотносятся ответы на вопросы анкеты у рядовых сотрудников и руководства предприятия. Поэтому выбираем K=2. Для дальнейшей сегментации можно увеличивать число кластеров.

1. выбрать наблюдения с максимальным расстоянием между центрами кластеров;
2. рассортировать расстояния и выбрать наблюдения с постоянными интервалами (установка по умолчанию);
3. взять первые наблюдения за центры и присоединять остальные объекты к ним.

Для наших целей подходит вариант 1).

Многие алгоритмы кластеризации часто «навязывают» данным не присущую им структуру и дезориентируют исследователя. Поэтому крайне необходимо применять несколько алгоритмов кластерного анализа и делать выводы на основании общей оценки результатов работы алгоритмов

Результаты анализа можно посмотреть в появившемся диалоговом окне:

Если выбрать вкладку Graph of means, будет построен график координат центров кластеров:

Каждая ломаная линия на этом графике соответствует одному из кластеров. Каждое деление горизонтальной оси графика соответствует одной из переменных, включенных в анализ.

Вертикальная ось соответствует средним значениям переменных для объектов, входящих в каждый из кластеров.

Можно отметить, что просматриваются существенные отличия в отношении двух групп людей к служебной карьере почти по все вопросам. Лишь в одном вопросе наблюдается полное единодушие – в ощущении социального благополучия (ОСБ), вернее, отсутствии такового (2,5 балла из 10).

Можно предположить, что кластер 1 отображает рабочих, а кластер 2 – руководство. Руководители больше удовлетворены карьерным ростом (КР), сочетанием личных целей и целей организации (СЛЦ).

У них выше уровень ощущения экономического благосостояния (ОЭБ) и ощущения справедливости в оплате труда (ОСО).

Территориальная близость к дому (ТБД) волнует их меньше, чем рабочих, вероятно, из-за меньших проблем с транспортом. Также у руководителей меньше желания сменить работу (ЖСР).

Не смотря на то, что работники делятся на две категории, они относительно одинаково отвечают на большинство вопросов. Другими словами, если что-то не устраивает общую группу работников, то же самое не устраивает и высшее руководство, и наоборот.

Согласование графиков позволяет сделать выводы о том, что благосостояние одной группы отражается на благосостоянии другой.

Кластер 1 не доволен территориальной близостью к дому. Данной группой является основная часть работников, которые в основном приходят на предприятие с разных сторон города.

Следовательно, можно предложить главному руководству направить часть прибыли на строительство жилья для сотрудников предприятия.

Просматриваются существенные отличия в отношении двух групп людей к служебной карьере. Те сотрудники, которых устраивает карьерный рост, у которых высоко совпадение личных целей и целей организации, не имеют желание сменить работу и ощущают удовлетворённость результатами труда.

И наоборот, сотрудников, желающих сменить работу и неудовлетворённых результатами труда, не устраивают изложенные показатели. Высшему руководству следует обратить особое внимание на сложившуюся ситуацию.

Результаты дисперсионного анализа по каждому признаку выводятся по нажатию кнопки Analysis of variance.

Выводятся суммы квадратов отклонения объектов от центров кластеров (SS Within) и суммы квадратов отклонений между центрами кластеров (SS Between), значения F-статистики и уровни значимости р.

Внимание!

Для нашего примера уровни значимости для двух переменных довольно велики, что объясняется малым числом наблюдений. В полном варианте исследования, с которым можно ознакомиться в работе, гипотезы о равенстве средних для центров кластеров отклоняются на уровнях значимости меньше 0,01.

Кнопка Save classifications and distances выводит номера объектов, входящих в каждый кластер и расстояния объектов до центра каждого кластера.

В таблице показаны номера наблюдений (CASE_NO), составляющие кластеры с номерами CLUSTER и расстояния от центра каждого кластера (DISTANCE).

Информация о принадлежности объектов к кластерам может быть записана в файл и использоваться в дальнейшем анализе. В данном примере сравнение полученных результатов с анкетами показало, что кластер 1 состоит, в основном, из рядовых работников, а кластер 2 – из менеджеров.

Таким образом, можно заметить, что при обработке результатов анкетирования кластерный анализ оказался мощным методом, позволяющим сделать выводы, к которым невозможно прийти, построив гистограмму средних или посчитав процентное соотношение удовлетворённых различными показателями качества трудовой жизни.

Древовидная кластеризация – это пример иерархического алгоритма, принцип работы которого состоит в последовательном объединении в кластер сначала самых близких, а затем и всё более отдалённых друг от друга элементов.

Большинство из этих алгоритмов исходит из матрицы сходства (расстояний), и каждый отдельный элемент рассматривается вначале как отдельный кластер.

После загрузки модуля кластерного анализа и выбора Joining (tree clustering), в окне ввода параметров кластеризации можно изменить следующие параметры:

• Исходные данные (Input). Они могут быть в виде матрицы исследуемых данных (Raw data) и в виде матрицы расстояний (Distance matrix).
• Кластеризацию (Cluster) наблюдений (Cases (raw)) или переменных (Variable (columns)), описывающих состояние объекта.
• Меры расстояния (Distance measure). Здесь возможен выбор следующих мер: евклидово расстояние (Euclidean distances), квадрат евклидова расстояния (Squared Euclidean distances), расстояние городских кварталов (манхэттенское расстояние, City-block (Manhattan) distance), расстояние Чебышёва (Chebychev distance metric), степенное расстояние (Power…), процент несогласия (Percent disagreement).
• Метод кластеризации (Amalgamation (linkage) rule). Здесь возможны следующие варианты: одиночная связь (метод ближайшего соседа) (Single Linkage), полная связь (метод наиболее удаленных соседей) (Complete Linkage), невзвешенное попарное среднее (Unweighted pair-group average), взвешенное попарное среднее (Weighted pair-group average), невзвешенный центроидный метод (Unweighted pair-group centroid), взвешенный центроидный метод (медиана) (Weighted pair-group centroid (median)), метод Уорда (Ward’s method).

В результате кластеризации строится горизонтальная или вертикальная дендрограмма – график, на котором определены расстояния между объектами и кластерами при их последовательном объединении.

Древовидная структура графика позволяет определить кластеры в зависимости от выбранного порога – заданного расстояния между кластерами.

Кроме того, выводится матрица расстояний между исходными объектами (Distance matrix); средние и среднеквадратичные отклонения для каждого исходного объекта (Distiptive statistics).

Для рассмотренного примера проведём кластерный анализ переменных с установками по умолчанию. Результирующася дендрограмма изображена на рисунке.

На вертикальной оси дендрограммы откладываются расстояния между объектами и между объектами и кластерами. Так, расстояние между переменными ОЭБ и ОСО равно пяти. Эти переменные на первом шаге объединяются в один кластер.

Горизонтальные отрезки дендрограммы проводятся на уровнях, соответствующих пороговым значениям расстояний, выбираемым для данного шага кластеризации.

Из графика видно, что вопрос «желание сменить работу» (ЖСР) образует отдельный кластер. Вообще, желание свалить куда угодно посещает всех в равной степени. Далее отдельный кластер составляет вопрос о территориальной близости к дому (ТБД).

По степени важности он стоит на втором месте, что подтверждает вывод о необходимости строительства жилья, сделанный по результатам исследования методом K-средних.

Ощущение экономического благосостояния (ОЭБ) и справедливости в оплате труда (ОСО) объединены — это блок экономических вопросов. Карьерный рост (КР) и сочетание личных целей и целей организации (СЛЦ) также объединены.

Другие методы кластеризации, а также выбор других видов расстояний не приводит к существенному изменению дендрограммы.

Результаты:

1. Кластерный анализ является мощным средством разведочного анализа данных и статистических исследований в любой предметной области.
2. В программе Statistica реализованы как иерархические, так и структурные методы кластерного анализа. Преимущества этого статистического пакета обусловлены их графическими возможностями. Предусмотрены двумерные и трёхмерные графические отображения полученных кластеров в пространстве исследуемых переменных, а также результаты работы иерархической процедуры группирования объектов.
3. Необходимо применять несколько алгоритмов кластерного анализа и делать выводы на основании общей оценки результатов работы алгоритмов.
4. Кластерный анализ можно считать успешным, если он выполнен разными способами, проведено сравнение результатов и найдены общие закономерности, а также найдены стабильные кластеры независимо от способа кластеризации.
5. Кластерный анализ позволяет выявить проблемные ситуации и наметить пути их решения. Следовательно, этот метод непараметрической статистики можно рассматривать как составную часть системного анализа.

Положения, полученные из чисто
логических средств, при сравнении
с действительностью оказываются
совершенно пустыми.
А. Эйнштейн

Как правильно провести анализ и классификацию данных? Зачем нужны графики и диаграммы?

Урок-практикум

Цель работы . Научиться проводить классификацию и анализировать данные, полученные из текста.

План работы . 1. Проанализировать текст с целью определения существенных свойств предмета, о котором говорится. 2. Структурировать содержание текста с целью выделения классов объектов, о которых говорится. 3. Понять роль логических схем, графиков, диаграмм для осмысления изучаемого материала, установления логических связей, систематизации.

Проанализируйте текст. Для этого вам нужно мысленно определить в тексте предмет - существенное. Выделить, расчленить его на составные части, чтобы найти отдельные элементы, признаки, стороны этого предмета.

Иван Крамской. Д. И. Менделеев

Чьими портретами ученых-систематизаторов вы бы дополнили этот ряд?

ПОРТРЕТ ШАРОВОЙ МОЛНИИ . «Портрет загадочного феномена природы - шаровой молнии выполнили специалисты главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, воспользовавшись услугами ЭВМ и., методами криминалистики. «Фоторобот» таинственной незнакомки был составлен на основе данных, опубликованных в печати за три столетия, итогов исследовательских опросов и сообщений очевидцев разных стран.

Какие же из своих секретов сообщил ученым парящий сгусток энергии?

Замечают его большей частью во время гроз. Во все времена встречались четыре формы шаровой молнии: сфера, овал, диск, стержень. Порождение атмосферного электричества, естественно, большей частью возникало в воздухе. Однако, по данным американских опросов, с равной частотой молнию можно увидеть и осевшей на различных предметах - телеграфных столбах, деревьях, домах. Размеры удивительной спутницы гроз от 15 до 40 см. Цвет? Три четверти очевидцев следили за сверкающими шарами красного, желтого и розового цвета.

Жизнь сгустка электрической плазмы по истине мотыльковая, как правило в пределах пяти секунд. Дольше этого срока, но не более 30 с, ее видело до 36 % очевидцев. Почти всегда и кончина ее была одинаковой - она самопроизвольно взрывалась, иногда натыкаясь на различные препятствия. «Коллективные портреты», сделанные наблюдателями разных времен и народов, совпали».

Если вы, прочитав текст, сумели ответить на вопросы, о чем говорится в тексте, каковы основные признаки, элементы, стороны, свойства предмета рассуждений, значит, вы провели его анализ. В данном случае предметом, основным содержанием текста является представление о шаровой молнии. Свойства шаровой молнии - ее внешний вид: размер, форма, цвет, а также время жизни, особенности поведения.

На основе анализа текста определите его логическую структуру. Предложите формы работы с этим текстом для его усвоения, запоминания, использования его как интересного, необычного материала в вашей дальнейшей учебной работе - в дискуссиях, выступлениях.

ПОДСКАЗКА . Можно составить план этого текста, его конспект, тезисы (обобщения и выводы, которые вы считаете главными мыслями текста). Полезно выделить то, что является для вас новым, незнакомым в материале. Можно также составить логическую схему материала. Для этого, проанализировав текст, выделите значимую для вас информацию, попытайтесь объединить ее в группы, показать связи между этими группами.

Использование таблиц, графиков, диаграмм помогает нам проводить систематизацию при изучении естественно-научных предметов. Пусть в нашем распоряжении имеются данные о среднемесячных дневных температурах за один год для Санкт-Петербурга и для Сочи. Требуется с целью выявления каких-либо закономерностей проанализировать и систематизировать этот материал.

Представим разрозненный набор данных в виде таблицы, затем в виде графика и диаграммы (рис. 5, 6). Найдите закономерности в распределении температуры. Ответьте на вопросы:

1. Каковы особенности распределения температур по месяцам в разных городах? Чем различаются эти распределения?
2. В чем причина процессов, которые приводят к такому распределению?
3. Помогла ли вам выполнить задание систематизация материала с помощью графика, диаграммы?

Среднемесячные дневные температуры за один год для Санкт-Петербурга и Сочи

Рис. 5. График хода среднемесячных дневных температур за один год для Санкт-Петербурга и Сочи

Рис. 6. Диаграмма: среднемесячные дневные температуры за один год в городах Санкт-Петербург и Сочи

Важными ступенями к овладению методами научного познания являются:

1. Логический анализ текста.
2. Составление плана, схем, выделение структуры материала.
3. Конспектирование текста или написание тезисов.
4. Выделение нового знания и его использование в дискуссиях, выступлениях, в решении новых задач, проблем.

Литература для дополнительного чтения

1. Эйнштейн А. Без формул / А. Эйнштейн; сост. К. Кедров; пер. с англ. - М.: Мысль. 2003.
2. Методология науки и научный прогресс. - Новосибирск: Наука. 1981.
3. Фейрабенд П. Избранные труды по методологии науки / П. Фейрабенд. - М.: Прогресс, 1986

2. К р и ц м а н В. А., Р о з е н Б. Я., Д м и т р и е в И. С. К тайнам строения вещества. – Вышейшая школа, 1983.

Революционные открытия в естествознании часто совершались под влиянием результатов опытов, поставленных талантливыми экспериментаторами. Великие эксперименты в биологии, химии, физике способствовали изменению представления о мире, в котором мы живем, о строении вещества, о механизмах передачи наследственности. На основании результатов великих экспериментов совершались другие теоретические и технологические открытия.

§ 9. Теоретические методы исследования

Урок-лекция

На свете есть вещи поважнее

самых прекрасных открытий –

это знание методов, которыми

они были сделаны

Лейбниц

https://pandia.ru/text/78/355/images/image014_2.gif" alt="Подпись: !" align="left" width="42 height=41" height="41">Метод. Классификация. Систематизация. Систематика. Индукция. Дедукция.

Наблюдение и описание физических явлений. Физические законы. (Физика, 7 – 9 кл.).

Что такое метод. Методом в науке называют способ построения знания, форму практического и теоретического освоения действительности. Фрэнсис Бэкон сравнивал метод со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте: «Даже хромой, идущий по дороге, опережает того, кто идет без дороги». Правильно выбранный метод должен быть ясным, логичным, вести к определенной цели, давать результат. Учение о системе методов называют методологией .

Методы познания, которые используют в научной деятельности – это эмпирические (практические, экспериментальные) методы: наблюдение , эксперимент и теоретические (логические, рациональные) методы:анализ , синтез , сравнение , классификация , систематизация , абстрагирование , обобщение , моделирование , индукция , дедукция . В реальном научном познании эти методы используют всегда в единстве. Например, при разработке эксперимента требуется предварительное теоретическое осмысление проблемы, формулирование гипотезы исследования, а после проведения эксперимента необходима обработка результатов с использованием математических методов . Рассмотрим особенности некоторых теоретических методов познания.

Классификация и систематизация. Классификация позволяет упорядочить исследуемый материал путем группирования множества (класса) исследуемых объектов на подмножества (подклассы) в соответствии с выбранным признаком.

Например, всех учеников школы можно разделить на подклассы – «девушки» и «юноши». Можно выбрать и другой признак, например рост. В этом случае классификацию возможно проводить по-разному. Например, выделить границу роста 160 см и классифицировать учеников на подклассы «низкие» и «высокие», или разбить шкалу роста на отрезки в 10 см, тогда классификация будет более детальная. Если сравнить результаты такой классификации по нескольким годам, то это позволит эмпирическим путем установить тенденции в физическом развитии учеников. Следовательно, классификация как метод может быть использована для получения новых знаний и даже служить основой для построения новых научны теорий.

В науке обычно используют классификации одних и тех же объектов по разным признакам в зависимости от целей. Однако признак (основание для классификации) выбирается всегда один. Например, химики подразделяют класс «кислоты» на подклассы и по степени диссоциации (сильные и слабые), и по наличию кислорода (кислородсодержащие и бескислородные), и по физическим свойствам (летучие – нелетучие; растворимые – нерастворимы) и по другим признакам.

Классификация может изменяться в процессе развития науки.

В середине xx в. исследование различных ядерных реакций привело к открытию элементарных (неделящихся) частиц. Первоначально их стали классифицировать по массе, так появились лептоны (мелкие), мезоны (промежуточные), барионы (крупные) и гипероны (сверхкрупные). Дальнейшее развитие физики показало, что классификация по массе имеет мало физического смысла, однако термины сохранились, в результате чего появились лептоны, значительно более массивные, чем барионы.

Классификацию удобно отражать в виде таблиц или схем (графов). Например, классификация планет Солнечной системы, представленная схемой - графом, может выглядеть так:

БОЛЬШИЕ ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ	ПЛАНЕТЫ - ГИГАНТЫ

ПЛУТОН

МЕРКУ-	ВЕНЕ-		МАРС	ЮПИТЕР	САТУРН	УРАН

Обратите внимание на то, что планета Плутон в этой классификации представляет отдельный подкласс, не принадлежит ни к планетам земной группы, ни к планетам-гигантам. Ученые отмечают, что Плутон по свойствам похож на астероид , каких может быть много на периферии Солнечной системы.

При изучении сложных систем природы классификация служит фактически первым шагом к построению естественно-научной теории. Следующим более высоким уровнем является систематизация (систематика). Систематизация осуществляется на основе классификации достаточно большого объема материала. При этом выделяют наиболее существенные признаки, позволяющие представить накопленный материал как систему, в которой отражены все различные взаимосвязи между объектами. Она необходима в тех случаях, кода имеется многообразие объектов и сами объекты являются сложными системами. Результатом систематизации научных данных является систематика или иначе – таксономия. Систематика как область науки развивалась в таких областях знания как биология, геология, языкознание , этнография.

Единица систематики называется таксоном. В биологии таксоны – это, например, тип, класс, семейство, род, отряд и др. Они объединены в единую систему таксонов различного ранга по иерархическому принципу. Такая система включает описание всех существующих и ранее вымерших организмов, выясняет пути их эволюции. Если ученые находят новый вид, то они должны подтвердить его место в общей системе. Могут быть внесены изменения и в саму систему, которая остается развивающейся, динамичной. Систематика позволяет легко ориентироваться во всем многообразии организмов – только животных известно около 1,5 млн видов, а растений – более 500 тыс. видов, не считая другие группы организмов. Современная биологическая систематика отражает закон Сент-Илера: «Все многообразие форм жизни формирует естественную таксономическую систему, состоящую из иерархических групп таксонов различного ранга».

Индукция и дедукция. Путь познания, при котором на основе систематизации накопленной информации – от частного к общему – делают вывод о существующей закономерности, называют индукцией. Этот метод как метод изучения природы был разработан английским философом Ф. Бэконом. Он писал: «Надо брать как можно больше случаев – как таких, где исследуемое явление есть налицо, так и таких, где оно отсутствует, но где его можно было бы ожидать встретить; затем надо расположить их методически... и дать наиболее вероятное объяснение; наконец, постараться проверить это объяснение дальнейшим сравнением с фактами».

Мысль и образ

Портреты Ф. Бэкона и Ш. Холмса

Почему портреты ученого и литературного героя расположены рядом?

Индукция – не единственный путь получения научного знания о мире. Если экспериментальная физика, химия и биология строились как науки в основном за счет индукции, то теоретическая физика, современная математика в своем основании имели систему аксиом – непротиворечивых, умозрительных, достоверных с точки зрения здравого смысла и уровня исторического развития науки утверждений. Тогда знание можно построить на этих аксиомах путем выведения умозаключений от общего к частному, перехода от предпосылки к следствиям. Этот метод называют дедукцией. Его развивал

Рене Декарт, французский философ и ученый.

Ярким примером получения знания об одном предмете разными путями является открытие законов движения небесных тел. И. Кеплер на основе большого количества данных наблюдений за движением планеты Марс в начале XVII в. открыл методом индукции эмпирические законы движения планет в Солнечной системе. В конце этого же века Ньютон вывел дедуктивным путем обобщенные законы движения небесных тел на основе закона всемирного тяготения.

В реальной исследовательской деятельности методы научных исследований взаимосвязаны.

1. ○ Объясните, что такое метод исследования, методология естественных наук?

Все эти приближения следует обосновывать и числено оценивать погрешности, вносимые каждым из них.

Развитие науки показывает, что каждый естественно-научный закон имеет границы своего применения. Например, законы Ньютона оказываются неприменимы при исследовании процессов микромира. Для описания этих процессов сформулированы законы квантовой теории, которые становятся эквивалентными законам Ньютона, если их применить для описания движения макроскопических тел. С точки зрения моделирования это означает, что законы Ньютона являются некоторой моделью, которая следует при определенных приближениях из более общей теории. Однако и законы квантовой теории не абсолютны и имеют свои ограничения в применимости. Уже сформулированы более общие законы и получены более общие уравнения, которые в свою очередь, также имеют ограничения. И цепочке этой не видно конца. Пока еще не получены какие-либо абсолютные законы, описывающие все в природе, из которых можно было бы вывести все частные законы. И не ясно, можно ли такие законы сформулировать. Но это означает, что любой из естественно-научных законов фактически является некоторой моделью. Отличие от тех моделей, которые рассматривались в данном параграфе, заключается лишь в том, что естественно-научные законы – это модель, применимая для описания не одного конкретного явления, а для широкого класса явлений.