京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
R语言混合型数据聚类分析案例
利用聚类分析,我们可以很容易地看清数据集中样本的分布情况。以往介绍聚类分析的文章中通常只介绍如何处理连续型变量,这些文字并没有过多地介绍如何处理混合型数据(如同时包含连续型变量、名义型变量和顺序型变量的数据)。本文将利用 Gower 距离、PAM(partitioning around medoids)算法和轮廓系数来介绍如何对混合型数据做聚类分析。
本文主要分为三个部分:
距离计算
聚类算法的选择
聚类个数的选择
为了介绍方便,本文直接使用 ISLR 包中的 College 数据集。该数据集包含了自 1995 年以来美国大学的 777 条数据,其中主要有以下几个变量:
连续型变量
录取率
学费
新生数量
分类型变量
公立或私立院校
是否为高水平院校,即所有新生中毕业于排名前 10% 高中的新生数量占比是否大于 50%
本文中涉及到的R包有:
In [3]:
set.seed(1680) # 设置随机种子,使得本文结果具有可重现性
library(dplyr)
library(ISLR)
library(cluster)
library(Rtsne)
library(ggplot2)
Attaching package: ‘dplyr’
The following objects are masked from ‘package:stats’:
filter, lag
The following objects are masked from ‘package:base’:
intersect, setdiff, setequal, union
构建聚类模型之前,我们需要做一些数据清洗工作:
录取率等于录取人数除以总申请人数
判断某个学校是否为高水平院校,需要根据该学校的所有新生中毕业于排名前 10% 高中的新生数量占比是否大于 50% 来决定
In [5]:
college_clean <- College %>%
mutate(name = row.names(.),
accept_rate = Accept/Apps,
isElite = cut(Top10perc,
breaks = c(0, 50, 100),
labels = c("Not Elite", "Elite"),
include.lowest = TRUE)) %>%
mutate(isElite = factor(isElite)) %>%
select(name, accept_rate, Outstate, Enroll,
Grad.Rate, Private, isElite)
glimpse(college_clean)
Observations: 777
Variables: 7
$ name (chr) "Abilene Christian University", "Adelphi University", "...
$ accept_rate (dbl) 0.7421687, 0.8801464, 0.7682073, 0.8369305, 0.7564767, ...
$ Outstate (dbl) 7440, 12280, 11250, 12960, 7560, 13500, 13290, 13868, 1...
$ Enroll (dbl) 721, 512, 336, 137, 55, 158, 103, 489, 227, 172, 472, 4...
$ Grad.Rate (dbl) 60, 56, 54, 59, 15, 55, 63, 73, 80, 52, 73, 76, 74, 68,...
$ Private (fctr) Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes, Yes,...
$ isElite (fctr) Not Elite, Not Elite, Not Elite, Elite, Not Elite, Not...
距离计算
聚类分析的第一步是定义样本之间距离的度量方法,最常用的距离度量方法是欧式距离。然而欧氏距离只适用于连续型变量,所以本文将采用另外一种距离度量方法—— Gower 距离。
Gower 距离
Gower 距离的定义非常简单。首先每个类型的变量都有特殊的距离度量方法,而且该方法会将变量标准化到[0,1]之间。接下来,利用加权线性组合的方法来计算最终的距离矩阵。不同类型变量的计算方法如下所示:
连续型变量:利用归一化的曼哈顿距离
顺序型变量:首先将变量按顺序排列,然后利用经过特殊调整的曼哈顿距离
名义型变量:首先将包含 k 个类别的变量转换成 k 个 0-1 变量,然后利用 Dice 系数做进一步的计算
优点:通俗易懂且计算方便
缺点:非常容易受无标准化的连续型变量异常值影响,所以数据转换过程必不可少;该方法需要耗费较大的内存
利用 daisy 函数,我们只需要一行代码就可以计算出 Gower 距离。需要注意的是,由于新生入学人数是右偏变量,我们需要对其做对数转换。daisy 函数内置了对数转换的功能,你可以调用帮助文档来获取更多的参数说明。
In [6]:
# Remove college name before clustering
gower_dist <- daisy(college_clean[, -1],
metric = "gower",
type = list(logratio = 3))
# Check attributes to ensure the correct methods are being used
# (I = interval, N = nominal)
# Note that despite logratio being called,
# the type remains coded as "I"
summary(gower_dist)
Out[6]:
301476 dissimilarities, summarized :
Min. 1st Qu. Median Mean 3rd Qu. Max.
0.0018601 0.1034400 0.2358700 0.2314500 0.3271400 0.7773500
Metric : mixed ; Types = I, I, I, I, N, N
Number of objects : 777
此外,我们可以通过观察最相似和最不相似的样本来判断该度量方法的合理性。本案例中,圣托马斯大学和约翰卡罗尔大学最相似,而俄克拉荷马科技和艺术大学和哈佛大学差异最大。
In [7]:
gower_mat <- as.matrix(gower_dist)
# Output most similar pair
college_clean[
which(gower_mat == min(gower_mat[gower_mat != min(gower_mat)]),
arr.ind = TRUE)[1, ], ]
Out[7]:
In [8]:
# Output most dissimilar pair
college_clean[
which(gower_mat == max(gower_mat[gower_mat != max(gower_mat)]),
arr.ind = TRUE)[1, ], ]
Out[8]:
聚类算法的选择
现在我们已经计算好样本间的距离矩阵,接下来需要选择一个合适的聚类算法,本文采用 PAM(partioniong around medoids)算法来构建模型:
PAM 算法的主要步骤:
随机选择 k 个数据点,并将其设为簇中心点
遍历所有样本点,并将样本点归入最近的簇中
对每个簇而言,找出与簇内其他点距离之和最小的点,并将其设为新的簇中心点
重复第2步,直到收敛
该算法和 K-means 算法非常相似。事实上,除了中心点的计算方法不同外,其他步骤都完全一致 。
优点:简单易懂且不易受异常值所影响
缺点:算法时间复杂度为 O(n2)O(n2)
聚类个数的选择
我们将利用轮廓系数来确定最佳的聚类个数,轮廓系数是一个用于衡量聚类离散度的内部指标,该指标的取值范围是[-1,1],其数值越大越好。通过比较不同聚类个数下轮廓系数的大小,我们可以看出当聚类个数为 3 时,聚类效果最好。
In [9]:
# Calculate silhouette width for many k using PAM
sil_width <- c(NA)
for(i in 2:10){
pam_fit <- pam(gower_dist,
diss = TRUE,
k = i)
sil_width[i] <- pam_fit$silinfo$avg.width
}
# Plot sihouette width (higher is better)
plot(1:10, sil_width,
xlab = "Number of clusters",
ylab = "Silhouette Width")
lines(1:10, sil_width)
聚类结果解释
描述统计量
聚类完毕后,我们可以调用 summary 函数来查看每个簇的汇总信息。从这些汇总信息中我们可以看出:簇1主要是中等学费且学生规模较小的私立非顶尖院校,簇2主要是高收费、低录取率且高毕业率的私立顶尖院校,而簇3则是低学费、低毕业率且学生规模较大的公立非顶尖院校。
In [18]:
pam_fit <- pam(gower_dist, diss = TRUE, k = 3)
pam_results <- college_clean %>%
dplyr::select(-name) %>%
mutate(cluster = pam_fit$clustering) %>%
group_by(cluster) %>%
do(the_summary = summary(.))
print(pam_results$the_summary)
[[1]]
accept_rate Outstate Enroll Grad.Rate Private
Min. :0.3283 Min. : 2340 Min. : 35.0 Min. : 15.00 No : 0
1st Qu.:0.7225 1st Qu.: 8842 1st Qu.: 194.8 1st Qu.: 56.00 Yes:500
Median :0.8004 Median :10905 Median : 308.0 Median : 67.50
Mean :0.7820 Mean :11200 Mean : 418.6 Mean : 66.97
3rd Qu.:0.8581 3rd Qu.:13240 3rd Qu.: 484.8 3rd Qu.: 78.25
Max. :1.0000 Max. :21700 Max. :4615.0 Max. :118.00
isElite cluster
Not Elite:500 Min. :1
Elite : 0 1st Qu.:1
Median :1
Mean :1
3rd Qu.:1
Max. :1
[[2]]
accept_rate Outstate Enroll Grad.Rate Private
Min. :0.1545 Min. : 5224 Min. : 137.0 Min. : 54.00 No : 4
1st Qu.:0.4135 1st Qu.:13850 1st Qu.: 391.0 1st Qu.: 77.00 Yes:65
Median :0.5329 Median :17238 Median : 601.0 Median : 89.00
Mean :0.5392 Mean :16225 Mean : 882.5 Mean : 84.78
3rd Qu.:0.6988 3rd Qu.:18590 3rd Qu.:1191.0 3rd Qu.: 94.00
Max. :0.9605 Max. :20100 Max. :4893.0 Max. :100.00
isElite cluster
Not Elite: 0 Min. :2
Elite :69 1st Qu.:2
Median :2
Mean :2
3rd Qu.:2
Max. :2
[[3]]
accept_rate Outstate Enroll Grad.Rate Private
Min. :0.3746 Min. : 2580 Min. : 153 Min. : 10.00 No :208
1st Qu.:0.6423 1st Qu.: 5295 1st Qu.: 694 1st Qu.: 46.00 Yes: 0
Median :0.7458 Median : 6598 Median :1302 Median : 54.50
Mean :0.7315 Mean : 6698 Mean :1615 Mean : 55.42
3rd Qu.:0.8368 3rd Qu.: 7748 3rd Qu.:2184 3rd Qu.: 65.00
Max. :1.0000 Max. :15516 Max. :6392 Max. :100.00
isElite cluster
Not Elite:199 Min. :3
Elite : 9 1st Qu.:3
Median :3
Mean :3
3rd Qu.:3
Max. :3
PAM 算法的另一个优点是各个簇的中心点是实际的样本点。从聚类结果中我们可以看出,圣弗朗西斯大学是簇1 的中心点,巴朗德学院是簇2 的中心点,而密歇根州州立大学河谷大学是簇3 的中心点。
In [19]:
college_clean[pam_fit$medoids, ]
Out[19]:
可视化方法
t-SNE 是一种降维方法,它可以在保留聚类结构的前提下,将多维信息压缩到二维或三维空间中。借助t-SNE我们可以将 PAM 算法的聚类结果绘制出来,有趣的是私立顶尖院校和公立非顶尖院校这两个簇中间存在一个小聚类簇。
In [22]:
tsne_obj <- Rtsne(gower_dist, is_distance = TRUE)
tsne_data <- tsne_obj$Y %>%
data.frame() %>%
setNames(c("X", "Y")) %>%
mutate(cluster = factor(pam_fit$clustering),
name = college_clean$name)
ggplot(aes(x = X, y = Y), data = tsne_data) +
geom_point(aes(color = cluster))
进一步探究可以发现,这一小簇主要包含一些竞争力较强的公立院校,比如弗吉尼亚大学和加州大学伯克利分校。虽然无法通过轮廓系数指标来证明多分一类是合理的,但是这 13 所院校的确显著不同于其他三个簇的院校。
In [25]:
tsne_data %>%
filter(X > 15 & X < 25,
Y > -15 & Y < -10) %>%
left_join(college_clean, by = "name") %>%
collect %>%
.[["name"]]
Out[25]:
‘Kansas State University’
‘North Carolina State University at Raleigh’
‘Pennsylvania State Univ. Main Campus’
‘SUNY at Buffalo’
‘Texas A&M Univ. at College Station’
‘University of Georgia’
‘University of Kansas’
‘University of Maryland at College Park’
‘University of Minnesota Twin Cities’
‘University of Missouri at Columbia’
‘University of Tennessee at Knoxville’
‘University of Texas at Austin’
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在企业数字化转型过程中,业务模型与数据模型是两大核心支撑体系:业务模型承载“业务应该如何运转”的逻辑,数据模型解决“数据 ...
2026-01-12当前手游市场进入存量竞争时代,“拉新难、留存更难”成为行业普遍痛点。对于手游产品而言,用户留存率不仅直接决定产品的生命周 ...
2026-01-12在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“挖掘变量间的关联关系”是高频核心需求——比如判断“用户停留时长 ...
2026-01-12在存量竞争时代,用户流失率直接影响企业的营收与市场竞争力。无论是电商、互联网服务还是金融行业,提前精准预测潜在流失用户, ...
2026-01-09在量化投资领域,多因子选股是主流的选股策略之一——其核心逻辑是通过挖掘影响股票未来收益的各类因子(如估值、成长、盈利、流 ...
2026-01-09在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工作场景中,分类型变量的关联分析是高频需求——例如“用户性别与商品偏好是否相 ...
2026-01-09数据库中的历史数据,是企业运营过程中沉淀的核心资产——包含用户行为轨迹、业务交易记录、产品迭代日志、市场活动效果等多维度 ...
2026-01-08在电商行业竞争日趋激烈的当下,数据已成为驱动业务增长的核心引擎。电商公司的数据分析师,不仅是数据的“解读官”,更是业务的 ...
2026-01-08在数据驱动决策的链路中,统计制图是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师将抽象数据转化为直观洞察的关键载体。不同于普通 ...
2026-01-08在主成分分析(PCA)的学习与实践中,“主成分载荷矩阵”和“成分矩阵”是两个高频出现但极易混淆的核心概念。两者均是主成分分 ...
2026-01-07在教学管理、学生成绩分析场景中,成绩分布图是直观呈现成绩分布规律的核心工具——通过图表能快速看出成绩集中区间、高分/低分 ...
2026-01-07在数据分析师的工作闭环中,数据探索与统计分析是连接原始数据与业务洞察的关键环节。CDA(Certified Data Analyst)作为具备专 ...
2026-01-07在数据处理与可视化场景中,将Python分析后的结果导出为Excel文件是高频需求。而通过设置单元格颜色,能让Excel中的数据更具层次 ...
2026-01-06在企业运营、业务监控、数据分析等场景中,指标波动是常态——无论是日营收的突然下滑、用户活跃度的骤升,还是产品故障率的异常 ...
2026-01-06在数据驱动的建模与分析场景中,“数据决定上限,特征决定下限”已成为行业共识。原始数据经过采集、清洗后,往往难以直接支撑模 ...
2026-01-06在Python文件操作场景中,批量处理文件、遍历目录树是高频需求——无论是统计某文件夹下的文件数量、筛选特定类型文件,还是批量 ...
2026-01-05在神经网络模型训练过程中,开发者最担心的问题之一,莫过于“训练误差突然增大”——前几轮还平稳下降的损失值(Loss),突然在 ...
2026-01-05在数据驱动的业务场景中,“垃圾数据进,垃圾结果出”是永恒的警示。企业收集的数据往往存在缺失、异常、重复、格式混乱等问题, ...
2026-01-05在数字化时代,用户行为数据已成为企业的核心资产之一。从用户打开APP的首次点击,到浏览页面的停留时长,再到最终的购买决策、 ...
2026-01-04在数据分析领域,数据稳定性是衡量数据质量的核心维度之一,直接决定了分析结果的可靠性与决策价值。稳定的数据能反映事物的固有 ...
2026-01-04