التحجيم متعدد الأبعاد

يُعدّ التحليل متعدد الأبعاد ( MDS ) وسيلةً لتصوّر مستوى التشابه بين الحالات الفردية لمجموعة بيانات. ويُستخدم MDS لتحويل المسافات بين كل زوج منتحويل العناصر الموجودة في مجموعة إلى تكوين منالنقاط التي تم رسمها في فضاء ديكارتي مجرد . [ 1 ]
من الناحية الفنية، يشير مصطلح MDS إلى مجموعة من تقنيات الترتيب ذات الصلة المستخدمة في تصوير المعلومات ، وخاصة لعرض المعلومات الواردة في مصفوفة المسافة . وهو شكل من أشكال تقليل الأبعاد غير الخطي .
بافتراض وجود مصفوفة مسافة تمثل المسافات بين كل زوج من العناصر في مجموعة، وعدد محدد من الأبعاد N ، فإن خوارزمية MDS تضع كل عنصر في فضاء ذي N بُعد (تمثيل ذو أبعاد أقل) بحيث تُحفظ المسافات بين العناصر بأفضل شكل ممكن. بالنسبة لـ N = 1 و2 و3، يمكن تمثيل النقاط الناتجة بيانيًا على مخطط التشتت . [ 2 ]
قدم جيمس أو. رامزي من جامعة ماكجيل مساهمات نظرية أساسية في MDS ، وهو يعتبر أيضًا مؤسس تحليل البيانات الوظيفية . [ 3 ]
الأنواع
تندرج خوارزميات MDS ضمن تصنيف معين ، وذلك تبعاً لمعنى مصفوفة الإدخال:
التحجيم متعدد الأبعاد الكلاسيكي
يُعرف أيضًا باسم تحليل الإحداثيات الرئيسية (PCoA)، أو مقياس تورجرسون، أو مقياس تورجرسون-جاور. يأخذ مصفوفة إدخال تُحدد أوجه الاختلاف بين أزواج العناصر، ويُخرج مصفوفة إحداثيات يُقلل تكوينها دالة خسارة تُسمى الإجهاد ، [ 2 ] والتي تُعطى بالصيغة التالية: أينتشير إلى المتجهات في الفضاء ذي الأبعاد N ،يشير إلى الضرب القياسي بينو، وهي عناصر المصفوفةتم تحديدها في الخطوة 2 من الخوارزمية التالية، والتي يتم حسابها من المسافات.
- خطوات خوارزمية MDS الكلاسيكية:
- تعتمد تقنية MDS الكلاسيكية على حقيقة أن مصفوفة الإحداثياتيمكن اشتقاقها عن طريق تحليل القيم الذاتية منوالمصفوفةيمكن حسابها من مصفوفة التقاربباستخدام التوسيط المزدوج. [ 4 ]
- قم بإعداد مصفوفة التقارب المربعة
- تطبيق التوسيط المزدوج:باستخدام مصفوفة التمركز، أينهو عدد الأشياء،هومصفوفة الوحدة، وهومصفوفة من جميع القيم تساوي واحدًا.
- حددأكبر القيم الذاتيةوالمتجهات الذاتية المقابلةل(أين(عدد الأبعاد المطلوبة للإخراج).
- الآن،، أينهي مصفوفةالمتجهات الذاتية وهي المصفوفة القطرية لـالقيم الذاتية لـ.
- يفترض التحليل متعدد الأبعاد الكلاسيكي المسافات المترية. لذا، فإن هذا لا ينطبق على تقييمات الاختلاف المباشر.
القياس متعدد الأبعاد المتري (mMDS)
هي مجموعة فرعية من MDS الكلاسيكية، تُعمم إجراء التحسين ليشمل مجموعة متنوعة من دوال الخسارة ومصفوفات الإدخال ذات المسافات المعروفة والأوزان، وما إلى ذلك. تُسمى دالة الخسارة المفيدة في هذا السياق " الإجهاد" ، والتي غالبًا ما يتم تقليلها باستخدام إجراء يُسمى " تكبير الإجهاد ". يُقلل MDS المتري دالة التكلفة المسماة "الإجهاد"، وهي عبارة عن مجموع مربعات البواقي.
يستخدم مقياس القياس تحويلًا أسيًا مع أس يتحكم فيه المستخدم:وبالنسبة للمسافة. في القياس الكلاسيكييتم تعريف القياس غير المتري من خلال استخدام الانحدار المتساوي لتقدير تحويل الاختلافات بشكل غير معلمي.
التحجيم متعدد الأبعاد غير المتري (NMDS)
وعلى النقيض من MDS المتري، يجد MDS غير المتري علاقة رتيبة غير معلمية بين الاختلافات في مصفوفة العنصر-العنصر والمسافات الإقليدية بين العناصر، وموقع كل عنصر في الفضاء منخفض الأبعاد.
يتركالاختلاف بين النقاط. يتركلتكن المسافة الإقليدية بين النقاط المضمنة.
الآن، لكل اختيار من النقاط المضمنةوهي دالة متزايدة بشكل رتيب، عرّف دالة "الإجهاد":
عاملمن الضروري استخدام في المقام لمنع "الانهيار". لنفترض أننا نُعرّف بدلاً من ذلكثم يمكن تقليله بسهولة عن طريق ضبطثم قم بدمج كل نقطة في نفس النقطة.
توجد عدة صيغ مختلفة لدالة التكلفة هذه. تعمل برامج MDS على تقليل الإجهاد تلقائيًا للحصول على حل MDS.
جوهر خوارزمية MDS غير المترية هو عملية تحسين ثنائية. أولاً، يجب إيجاد التحويل الرتيب الأمثل للتقارب. ثانياً، يجب ترتيب نقاط التكوين على النحو الأمثل، بحيث تتطابق مسافاتها مع التقارب المُقاس بأكبر قدر ممكن.
يحتاج خوارزمية NMDS إلى تحسين هدفين في آن واحد. ويتم ذلك عادةً بشكل تكراري:
- تهيئةبشكل عشوائي، على سبيل المثال عن طريق أخذ عينات من التوزيع الطبيعي.
- استمر حتى الوصول إلى معيار التوقف (على سبيل المثال،)
- أوجد قيمةعن طريق الانحدار متساوي التوتر .
- أوجد قيمةعن طريق التدرج الهبوطي أو طرق أخرى.
- يعودو
يُعد تحليل أصغر مساحة (SSA) للويس غوتمان مثالاً على إجراء MDS غير متري.
التحجيم متعدد الأبعاد المعمم (GMDS)
يُعدّ هذا الأسلوب امتدادًا لتقنية القياس متعدد الأبعاد المترية، حيث تكون المساحة المستهدفة فضاءً أملسًا غير إقليدي. في الحالات التي تكون فيها الاختلافات عبارة عن مسافات على سطح ما، وتكون المساحة المستهدفة سطحًا آخر، يسمح أسلوب القياس متعدد الأبعاد المترية (GMDS) بإيجاد تمثيل بأقل تشويه ممكن لسطح ما داخل سطح آخر. [ 5 ]
التحجيم متعدد الأبعاد الفائق (SMDS)
يُعدّ Super MDS امتدادًا لتقنية MDS، حيث يدمج معلومات المسافة والزاوية لتحسين تحديد موقع المصدر. وعلى عكس تقنية MDS التقليدية التي تستخدم قياسات المسافة فقط، تعالج Super MDS بيانات المسافة وزاوية الوصول (AOA) جبريًا (بدون تكرار) لتحقيق دقة أفضل. [ 6 ]
تتم هذه الطريقة وفق الخطوات التالية:
- بناء نواة الرسم البياني للحواف المختزلة: لشبكة منمصادر فيفي فضاء ذي أبعاد n، عرّف متجهات الحواف على النحو التالي:يُعطى الاختلاف بواسطةقم بتجميع هذه المكونات لتكوين النواة الكاملةثم قم بتكوين النواة المختزلة باستخدامالمتجهات المستقلة:،
- التحلل الذاتي: حساب التحلل الذاتي لـ،
- تقدير متجهات الحواف: استعادة متجهات الحواف كـ،
- محاذاة بروكروستس: استرجاعمنعن طريق تحويل بروكروستس،
- حساب الإحداثيات: حل المعادلات الخطية التالية لحساب تقديرات الإحداثيات
يقلل هذا النهج الموجز من الحاجة إلى نقاط تثبيت متعددة ويعزز دقة تحديد الموقع من خلال الاستفادة من قيود الزاوية.
تفاصيل
البيانات المراد تحليلها هي مجموعة منالكائنات (الألوان، الوجوه، الأسهم، ... ) التي تُعرَّف عليها دالة المسافة ،
- المسافة أ-th والكائنات رقم -th.
هذه المسافات هي عناصر مصفوفة عدم التشابه
الهدف من نظام MDS هو، بالنظر إلىللعثور علىالمتجهات بحيث
- للجميع،
أينهي معيار متجهي . في التحليل متعدد الأبعاد الكلاسيكي، يُعرف هذا المعيار بالمسافة الإقليدية ، ولكن بمعناه الأوسع، قد يكون مقياسًا أو دالة مسافة اختيارية. [ 7 ] على سبيل المثال، عند التعامل مع بيانات مختلطة تحتوي على مُعرّفات عددية وفئوية، تُعد مسافة غاور بديلاً شائعًا.
بمعنى آخر، تحاول تقنية MDS إيجاد علاقة بين...تحويل الكائنات إلىبحيث يتم الحفاظ على المسافات. إذا كان البعدإذا تم اختيار القيمة 2 أو 3، فيمكننا رسم المتجهاتللحصول على تصور لأوجه التشابه بينالكائنات. لاحظ أن المتجهاتليست فريدة: فباستخدام المسافة الإقليدية، يمكن نقلها وتدويرها وعكسها بشكل تعسفي، لأن هذه التحويلات لا تغير المسافات بين الأزواج..
(ملاحظة: الرمزيشير إلى مجموعة الأعداد الحقيقية ، والرمزيشير إلى الضرب الديكارتي لـنسخ من، وهوفضاء متجهي ذو أبعاد على حقل الأعداد الحقيقية.)
توجد طرق مختلفة لتحديد المتجهاتعادةً ما تتم صياغة MDS كمسألة تحسين ، حيثيتم إيجادها كقيمة صغرى لدالة تكلفة معينة، على سبيل المثال،
يمكن إيجاد حل باستخدام تقنيات التحسين العددي. بالنسبة لبعض دوال التكلفة المختارة تحديدًا، يمكن التعبير عن القيم الدنيا تحليليًا بدلالة تحليل القيم الذاتية للمصفوفة . [ 2 ]
إجراء
تتضمن عملية إجراء أبحاث متلازمة خلل التنسج النخاعي عدة خطوات:
- صياغة المشكلة – ما المتغيرات التي تريد مقارنتها؟ كم عدد المتغيرات التي تريد مقارنتها؟ ما الغرض من الدراسة؟
- الحصول على بيانات الإدخال – على سبيل المثال : يُطرح على المشاركين سلسلة من الأسئلة. لكل زوج من المنتجات، يُطلب منهم تقييم التشابه (عادةً على مقياس ليكرت من 7 نقاط ، من متشابه جدًا إلى مختلف جدًا). قد يكون السؤال الأول لكوكاكولا/بيبسي، على سبيل المثال، ثم التالي لكوكاكولا/هايرز روت بير، ثم التالي لبيبسي/دكتور بيبر، ثم التالي لدكتور بيبر/هايرز روت بير، وهكذا. عدد الأسئلة يعتمد على عدد العلامات التجارية، ويمكن حسابه كالتالي:حيث Q هو عدد الأسئلة و N هو عدد العلامات التجارية. يُشار إلى هذا النهج باسم "بيانات الإدراك : النهج المباشر". وهناك نهجان آخران: الأول هو "بيانات الإدراك : النهج المشتق"، حيث تُقسّم المنتجات إلى سمات تُقيّم على مقياس تفاضلي دلالي . أما الثاني فهو "نهج بيانات التفضيل"، حيث يُسأل المستجيبون عن تفضيلاتهم بدلاً من مدى تشابه المنتجات.
- تشغيل برنامج MDS الإحصائي – يتوفر برنامج لتشغيل الإجراء في العديد من حزم البرامج الإحصائية. غالبًا ما يكون هناك خيار بين MDS المتري (الذي يتعامل مع بيانات على مستوى الفاصل الزمني أو النسبة)، وMDS غير المتري [ 8 ] (الذي يتعامل مع البيانات الترتيبية).
- تحديد عدد الأبعاد - يجب على الباحث تحديد عدد الأبعاد التي يرغب في أن يُنشئها الحاسوب. غالبًا ما تكون قابلية تفسير حلول تحليل التباين متعدد الأبعاد (MDS) مهمة، وعادةً ما تكون الحلول ذات الأبعاد الأقل أسهل في التفسير والتصور. مع ذلك، يُعد اختيار الأبعاد مسألة موازنة بين نقص التوافق وزيادته. قد تُعاني الحلول ذات الأبعاد الأقل من نقص التوافق نتيجةً لإغفال أبعاد مهمة من بيانات التباين. بينما قد تُعاني الحلول ذات الأبعاد الأعلى من زيادة التوافق مع التشويش في قياسات التباين. لذا، يُمكن أن تكون أدوات اختيار النموذج ، مثل معيار معلومات أكايكي (AIC) ومعيار معلومات بايز (BIC) وعوامل بايز أو التحقق المتبادل ، مفيدةً لاختيار عدد الأبعاد الذي يُوازن بين نقص التوافق وزيادته.
- رسم النتائج وتحديد الأبعاد - يقوم البرنامج الإحصائي (أو وحدة نمطية ذات صلة) برسم النتائج. ستعرض الخريطة كل منتج (عادةً في فضاء ثنائي الأبعاد). يشير تقارب المنتجات من بعضها البعض إلى مدى تشابهها أو مدى تفضيلها، وذلك بحسب المنهجية المستخدمة. مع ذلك، فإن كيفية تطابق أبعاد التمثيل مع أبعاد سلوك النظام ليست واضحة بالضرورة. هنا، يمكن إصدار حكم شخصي حول هذا التطابق (انظر: رسم الخرائط الإدراكية ).
- اختبر النتائج للتأكد من موثوقيتها وصحتها - احسب معامل التحديد (R²) لتحديد نسبة التباين في البيانات المُقاسة التي يمكن تفسيرها بواسطة إجراء MDS. يُعتبر معامل التحديد 0.6 الحد الأدنى المقبول. يُعتبر معامل التحديد 0.8 جيدًا للقياس المتري، و0.9 جيدًا للقياس غير المتري. تشمل الاختبارات الأخرى الممكنة اختبار كروسكال للإجهاد، واختبارات تقسيم البيانات، واختبارات ثبات البيانات (مثل استبعاد علامة تجارية واحدة)، واختبار موثوقية إعادة الاختبار.
- قدّم تقريرًا شاملاً بالنتائج – إلى جانب عملية رسم الخرائط، يجب ذكر مقياس المسافة على الأقل (مثل مؤشر سورنسون ، مؤشر جاكارد ) وقيمة الموثوقية (مثل قيمة الإجهاد). يُنصح بشدة أيضًا بذكر الخوارزمية المستخدمة (مثل كروسكال، ماثر)، والتي غالبًا ما يحددها البرنامج المستخدم (وأحيانًا يحل ذلك محل تقرير الخوارزمية)، إذا كنت قد حددت إعدادات ابتدائية أو اخترت عشوائيًا، وعدد مرات التشغيل، وتقييم الأبعاد، ونتائج طريقة مونت كارلو ، وعدد التكرارات، وتقييم الاستقرار، والتباين النسبي لكل محور (معامل التحديد R²).
التطبيقات
- يتضمن برنامج ELKI تطبيقين لتقنية MDS.
- يتضمن MATLAB تطبيقين لـ MDS (للـ MDS الكلاسيكي ( cmdscale ) وغير الكلاسيكي ( mdscale ) على التوالي).
- توفر لغة البرمجة R العديد من تطبيقات MDS، على سبيل المثال وظيفة cmdscale الأساسية ، والحزم smacof [ 9 ] ( mMDS و nMDS)، و vegan (MDS الموزون).
- تحتوي مكتبة scikit-learn على الدالة sklearn.manifold.MDS .
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ ميد، أ. (1992). "مراجعة لتطور أساليب القياس متعدد الأبعاد". مجلة الجمعية الإحصائية الملكية. السلسلة د (الإحصائي) . 41 (1): 27-39 . doi : 10.2307/2348634 . JSTOR 2348634. الملخص :
أصبحت أساليب القياس متعدد الأبعاد أداة إحصائية شائعة في علم النفس الفيزيائي والتحليل الحسي. يتتبع هذا البحث تطور هذه الأساليب، بدءًا من الأبحاث الأصلية لتورجرسون (القياس المتري)، وشيبارد وكروكسال (القياس غير المتري)، مرورًا بقياس الفروق الفردية، وانتهاءً بأساليب الاحتمال الأقصى التي اقترحها رامزي.
- 1 2 3 بورغ، آي.؛ غرونين، ب. (2005). القياس متعدد الأبعاد الحديث: النظرية والتطبيقات (الطبعة الثانية ). نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ. ص 207-212 . ISBN 978-0-387-94845-4.
- ↑ جينست، كريستيان؛ نيشليهوفا، جوهانا ج.؛ رامزي، جيمس أو. (2014). "حوار مع جيمس أو. رامزي" . المجلة الإحصائية الدولية / Revue Internationale de Statistique . 82 (2): 161–183 . JSTOR 43299752. تاريخ الاسترجاع: 30 يونيو 2021 .
- ↑ ويكلمير، فلوريان. "مقدمة في MDS". وحدة أبحاث جودة الصوت، جامعة آلبورغ، الدنمارك (2003): 46
- ↑ برونشتاين إيه إم، برونشتاين إم إم، كيميل آر (يناير 2006). "التحجيم متعدد الأبعاد المعمم: إطار عمل لمطابقة الأسطح الجزئية الثابتة تحت تأثير التساوي القياسي" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 103 (5): 1168-1172 . Bibcode : 2006PNAS..103.1168B . doi : 10.1073/pnas.0508601103 . PMC 1360551. PMID 16432211 .
- ↑ دي أبريو، جي تي إف؛ ديستينو، جي. (2007). سوبر إم دي إس: تحديد موقع المصدر من معلومات المسافة والزاوية . مؤتمر IEEE للاتصالات اللاسلكية والشبكات لعام 2007. هونغ كونغ، الصين. الصفحات 4430-4434 . doi : 10.1109/WCNC.2007.807 .
- ↑ كروسكال، جيه بي ، وويش، إم. (1978)، القياس متعدد الأبعاد ، سلسلة أوراق جامعة سيج حول التطبيق الكمي في العلوم الاجتماعية، 07-011. بيفرلي هيلز ولندن: منشورات سيج.
- ↑ كروسكال، ج. ب. (1964). "القياس متعدد الأبعاد من خلال تحسين جودة المطابقة لفرضية غير مترية". مجلة القياس النفسي . 29 (1): 1-27 . doi : 10.1007/BF02289565 . S2CID 48165675 .
- ↑ ليو، جان دي؛ ماير، باتريك (2009). "التحجيم متعدد الأبعاد باستخدام الترتيب: SMACOF في R" . مجلة البرمجيات الإحصائية . 31 (3). doi : 10.18637/jss.v031.i03 . ISSN 1548-7660 .
فهرس
- كوكس، تي إف؛ كوكس، إم إيه إيه (2001). "التحجيم متعدد الأبعاد" . في: أنوين، إيه؛ تشين، سي؛ هاردل، دبليو كيه (محررون). دليل تصور البيانات . سبرينغر. doi : 10.1007/978-3-540-33037-0_14 . ISBN 978-3-540-33037-0.
- كوكسون، أنتوني بي إم (1982). دليل المستخدم للتحجيم متعدد الأبعاد. مع إشارة خاصة إلى مكتبة برامج الحاسوب MDS(X) . لندن: كتب هاينمان التعليمية.
- غرين، ب. (يناير 1975). "تطبيقات التسويق لنموذج البيانات المتعددة: التقييم والتوقعات". مجلة التسويق . 39 (1): 24-31 . doi : 10.2307/1250799 . JSTOR 1250799 .
- ماكيون، ب. وغريس، ج. ب. (2002). تحليل المجتمعات البيئية . أوريغون، غلينيدن بيتش: إم جيه إم لتصميم البرمجيات. ISBN 978-0-9721290-0-8.
- يونغ، فورست دبليو. (1987). القياس متعدد الأبعاد: التاريخ والنظرية والتطبيقات . دار لورانس إيرلبوم للنشر. رقم ISBN 978-0898596632.
- تورجرسون، وارن س. (1958). نظرية وأساليب القياس . نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-89874-722-5.
{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
- تقليل الأبعاد
- أبحاث التسويق الكمية
- القياس النفسي
