Многофакторный анализ - Multiple factor analysis

Многофакторный анализ (МФА) это факториал метод^[1] посвящена изучению таблиц, в которых группа лиц описывается набором переменных (количественных и / или качественных), структурированных в группы. Это можно рассматривать как расширение:

• Анализ главных компонентов (PCA), когда переменные являются количественными,
• Анализ множественных соответствий (MCA), когда переменные являются качественными,
• Факторный анализ смешанных данных (FAMD), когда активные переменные принадлежат к двум типам.

Вводный пример

Зачем вводить несколько активных групп переменных в один факторный анализ?

данные

Рассмотрим случай количественных переменных, то есть в рамках PCA. Пример данных экологических исследований служит полезной иллюстрацией. Для 72 станций существует два типа измерений:

1. Коэффициент обилия-преобладания для 50 видов растений (от 0 = растение отсутствует, до 9 = вид покрывает более трех четвертей поверхности). Полный набор из 50 коэффициентов определяет флористический профиль станции.
2. Одиннадцать педологических измерений (Почвоведение = почвоведение): размер частиц, физика, химия и т. д. Набор из этих одиннадцати показателей определяет почвенный профиль станции.

Возможны три анализа:

1. PCA флоры (почвоведение в качестве дополнения): этот анализ фокусируется на разнообразии флористических профилей. Две станции находятся рядом друг с другом, если имеют схожий флористический профиль. На втором этапе основные параметры этой изменчивости (т. Е. Основные компоненты) связаны с педологическими переменными, введенными в качестве дополнительных.
2. PCA почвоведения (флора в качестве дополнения): этот анализ фокусируется на изменчивости почвенных профилей. Две станции находятся рядом, если у них одинаковый почвенный профиль. Затем основные параметры этой изменчивости (т.е. основные компоненты) связаны с обилием растений.
3. PCA двух групп переменных как активных: можно захотеть изучить изменчивость станций как с точки зрения флоры, так и с точки зрения почвы. При таком подходе две станции должны быть рядом, если у них одинаковая флора. 'и' похожие почвы.

Баланс между группами переменных

Методология

Третий анализ вводного примера неявно предполагает баланс между флорой и почвой. Однако в этом примере тот факт, что флора представлена ​​50 переменными, а почва - 11 переменными, означает, что на PCA с 61 активной переменной будет влиять в основном флора, по крайней мере, на первой оси). Это нежелательно: нет причин желать, чтобы одна группа играла более важную роль в анализе.

Ядро MFA основано на факторном анализе (PCA в случае количественных переменных, MCA в случае качественных переменных), в котором переменные взвешиваются. Эти веса идентичны для переменных одной и той же группы (и варьируются от одной группы к другой). Они таковы, что максимальная осевая инерция группы равна 1: другими словами, применяя PCA (или, где это применимо, MCA) к одной группе с этим взвешиванием, мы получаем первое собственное значение, равное 1. Чтобы получить это свойство, MFA присваивает каждой переменной группы ${\displaystyle j}$ вес, равный обратному первому собственному значению анализа (PCA или MCA в зависимости от типа переменной) группы ${\displaystyle j}$.

Формально, отмечая ${\displaystyle \lambda _{1}^{j}}$ первое собственное значение факторного анализа одной группы ${\displaystyle j}$, МИД присваивает вес ${\displaystyle 1/\lambda _{1}^{j}}$ для каждой переменной группы ${\displaystyle j}$.

Уравновешивание максимальной осевой инерции, а не полной инерции (= количество переменных в стандартном PCA) придает MFA несколько важных свойств для пользователя. Более конкретно, его интерес проявляется в следующем примере.

Пример

Пусть две группы переменных определены на одном и том же наборе людей.

1. Группа 1 состоит из двух некоррелированных переменных A и B.
2. Группа 2 состоит из двух переменных {C1, C2}, идентичных одной и той же переменной C, не коррелированной с первыми двумя.

Этот пример не совсем нереальный. Часто бывает необходимо одновременно анализировать многомерные и (вполне) одномерные группы.

Каждая группа с одинаковым количеством переменных имеет одинаковую общую инерцию.

В этом примере первая ось PCA почти совпадает с C. Действительно, в пространстве переменных есть две переменные в направлении C: группа 2, вся инерция которой сосредоточена в одном направлении, влияет преимущественно на первую ось . Со своей стороны, группа 1, состоящая из двух ортогональных переменных (= некоррелированных), имеет свою инерцию, равномерно распределенную в плоскости (плоскости, порождаемой двумя переменными), и почти не имеет веса на первой оси.

Числовой пример

Таблица 1. МИД. Данные испытаний. A и B (группа 1) не коррелированы. C1 и C2 (группа 2) идентичны. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle C_{2}}$ ${\displaystyle 1}$ 1 1 1 1 ${\displaystyle 2}$ 2 3 4 4 ${\displaystyle 3}$ 3 5 2 2 ${\displaystyle 4}$ 4 5 2 2 ${\displaystyle 5}$ 5 3 4 4 ${\displaystyle 6}$ 6 1 2 2

Таблица 2. Данные испытаний. Разложение инерции в PCA и MFA применительно к данным в таблице 1. ${\displaystyle F_{1}}$ ${\displaystyle F_{2}}$ PCA Инерция 2.14 (100%) 1 группа 1 0.24(11%) 1 группа 2 1.91(89%) 0 МИД Инерция 1.28(100%) 1 группа 1 0.64(50%) 1 группа 2 0.64(50%) 0

Таблица 2 суммирует инерцию первых двух осей PCA и MFA, примененную к таблице 1.

Переменные группы 2 вносят вклад в 88,95% инерции оси 1 PCA. Первая ось (${\displaystyle F_{1}}$) почти совпадает с C: корреляция между C и ${\displaystyle F_{1}}$ составляет 0,976;

Первая ось MFA (по данным таблицы 1) показывает баланс между двумя группами переменных: вклад каждой группы в инерцию этой оси строго равен 50%.

Вторая ось, тем временем, зависит только от группы 1. Это естественно, поскольку эта группа двумерна, а вторая группа, будучи одномерной, может быть тесно связана только с одной осью (здесь первая ось).

Вывод о балансе между группами

Введение нескольких активных групп переменных в факторный анализ неявно предполагает баланс между этими группами.

Этот баланс должен учитывать, что многомерная группа, естественно, влияет на большее количество осей, чем одномерная группа (которая может не быть тесно связана с одной осью).

Эту роль играет вес MFA, который делает максимальную осевую инерцию каждой группы равной 1.

Примеры применения

ОпросАнкеты всегда структурированы по разным темам. Каждая тема - это группа переменных, например, вопросы о мнениях и вопросы о поведении. Таким образом, в этом примере мы можем захотеть провести факторный анализ, в котором два человека близки, если они оба выразили одинаковое мнение и одинаковое поведение.

Сенсорный анализ Один и тот же набор продуктов был оценен группой экспертов и группой потребителей. Для своей оценки каждое жюри использует список дескрипторов (кислый, горький и т. Д.). Каждый судья оценивает каждый дескриптор для каждого продукта по шкале интенсивности, например, от 0 = ноль или очень низкий до 10 = очень сильный. В таблице, связанной с жюри, на пересечении ряда ${\displaystyle i}$ и столбец ${\displaystyle k}$, это средний балл, присвоенный продукту ${\displaystyle i}$ для дескриптора ${\displaystyle k}$.

Люди - это продукты. Каждое жюри - это группа переменных. Мы хотим добиться факторного анализа, в котором два продукта похожи, если они были одинаково оценены обоими жюри.

Многомерный временной ряд${\displaystyle K}$ переменные измеряются на ${\displaystyle I}$ лиц. Эти измерения производятся на ${\displaystyle J}$ даты. Есть много способов проанализировать такой набор данных. Один из способов, предложенных MFA, - это рассматривать каждый день как группу переменных при анализе таблиц (каждая таблица соответствует одной дате), сопоставленных по строкам (анализируемая таким образом таблица имеет ${\displaystyle I}$ ряды и ${\displaystyle J}$Икс${\displaystyle K}$ столбцы).

Вывод: Эти примеры показывают, что на практике переменные очень часто объединяются в группы.

Графика из МИД

Помимо взвешивания переменных, MFA интересен серией графиков и индикаторов, ценных при анализе таблицы, столбцы которой организованы в группы.

Графика, общая для всех простых факторных анализов (PCA, MCA)

Ядром MFA является взвешенный факторный анализ: MFA в первую очередь предоставляет классические результаты факторного анализа.

1. Представления физических лиц в котором два человека намного ближе, тогда у них одинаковые значения для всех переменных во всех группах; на практике пользователь особенно изучает первый факторный план.

2.Представления количественных переменных как в PCA (круг корреляции).

Рисунок 1. МИД. Данные испытаний. Представление личностей на первом плане.

Фигура 2. МИД. Данные испытаний. Представление переменных на первой плоскости.

В примере:

• Первая ось в основном противостоит индивидам 1 и 5 (Рисунок 1).
• Четыре переменные имеют положительную координату (рисунок 2): первая ось - размерный эффект. Таким образом, индивидуум 1 имеет низкие значения для всех переменных, а индивидуум 5 - высокие значения для всех переменных.

3. Индикаторы, помогающие интерпретировать: прогнозируемая инерция, вклад и качество представления. В примере вклад индивидов 1 и 5 в инерцию первой оси составляет 45,7% + 31,5% = 77,2%, что оправдывает интерпретацию, сосредоточенную на этих двух точках.

4. Представления категорий качественных переменных, как в MCA (категория находится в центре тяжести людей, которые ею обладают). В примере нет качественных переменных.

Графика, характерная для этого вида нескольких таблиц

5. Наложенные изображения людей «Видит» каждая группа. Индивидуум, рассматриваемый с точки зрения отдельной группы, называется частичное лицо (параллельно, индивидуум, рассматриваемый с точки зрения всех переменных, называется средний человек потому что он находится в центре тяжести своих частичных точек). Частичное облако ${\displaystyle N_{i}^{j}}$ собирает ${\displaystyle I}$ отдельные лица с точки зрения отдельной группы ${\displaystyle j}$ (т.е. ${\displaystyle {i^{j},j=1,J}}$): это облако, проанализированное в отдельном факторном анализе (PCA или MCA) группы. ${\displaystyle j}$. Наложенное представление ${\displaystyle N_{i}^{j}}$ предоставленный МИД, аналогичен по своей цели цели, предусмотренной Прокрустовый анализ.

Рисунок 3. MFA. Данные испытаний. Наложенное изображение средних и частичных облаков.

В примере (рис. 3) индивидуум 1 характеризуется небольшим размером (то есть небольшими значениями) как с точки зрения группы 1, так и группы 2 (частичные точки индивидуума 1 имеют отрицательную координату и близки друг к другу). Напротив, индивидуум 5 более характеризуется высокими значениями переменных группы 2, чем переменных группы 1 (для индивидуума 5 частичная точка группы 2 находится дальше от начала координат, чем частичная точка группы 1). Это чтение графика можно проверить прямо в данных.

6. Представления групп переменных в качестве таких. На этих графиках каждая группа переменных представлена ​​одной точкой. Две группы переменных близки друг к другу, когда они определяют одну и ту же структуру для индивидов. Крайний случай: две группы переменных, которые определяют гомотетические облака индивидов. ${\displaystyle N_{i}^{j}}$ совпадают. Координата группы ${\displaystyle j}$ по оси ${\displaystyle s}$ равен вкладу группы ${\displaystyle j}$ к инерции размерности МФА ранга ${\displaystyle s}$. Этот вклад можно интерпретировать как показатель взаимоотношений (между группой ${\displaystyle j}$ и ось ${\displaystyle s}$, отсюда и название квадрат отношений данный тип представления). Это представление также существует в других факторных методах (в частности, MCA и FAMD), и в этом случае каждая группа переменных сводится к одной переменной.

Рисунок 4. МИД. Данные испытаний. Представление групп переменных.

В примере (рис. 4) это представление показывает, что первая ось связана с двумя группами переменных, а вторая ось связана с первой группой. Это согласуется с представлением переменных (рисунок 2). На практике это представление особенно ценно, когда группы многочисленны и включают много переменных.

Другая сетка для чтения. Эти две группы переменных имеют общий эффект размера (первая ось) и различаются по оси 2, поскольку эта ось специфична для группы 1 (он противостоит переменным A и B).

7. Представления факторов отдельных анализов разных групп. Эти факторы представлены в виде дополнительных количественных переменных (круг корреляции).

Рисунок 5. MFA. Данные испытаний. Представление основных компонентов отдельных СПС каждой группы.

В примере (рис. 5) первая ось MFA относительно сильно коррелирована (r = 0,80) с первым компонентом группы 2. Эта группа, состоящая из двух идентичных переменных, имеет только один главный компонент (смешанный с переменная). Группа 1 состоит из двух ортогональных переменных: любое направление подпространства, порожденное этими двумя переменными, имеет одинаковую инерцию (равную 1). Таким образом, существует неопределенность в выборе основных компонентов и нет причин интересоваться одним из них в частности. Однако два компонента, предоставляемые программой, хорошо представлены: плоскость MFA близка к плоскости, охватываемой двумя переменными группы 1.

Вывод

Числовой пример иллюстрирует результат работы MFA. Помимо балансировки групп переменных и помимо обычных графиков PCA (MCA в случае качественных переменных), MFA предоставляет результаты, специфичные для групповой структуры набора переменных, а именно:

• Наложенное представление отдельных лиц для подробного анализа данных;
• Представление групп переменных, обеспечивающих синтетический образ, становится все более и более ценным, поскольку эти данные включают множество групп;
• Представление факторов из отдельных анализов.

Небольшой размер и простота примера позволяют легко проверить правила интерпретации. Но этот метод будет более ценным, когда набор данных будет большим и сложным. Доступны другие методы, подходящие для этого типа данных. Прокрустовый анализ сравнивается с MFA в.^[2]

История

MFA был разработан Брижит Эскофье и Жеромом Пажесом в 1980-х годах. Он лежит в основе двух книг, написанных этими авторами:^[3] и.^[4] MFA и его расширения (иерархический MFA, MFA по таблицам непредвиденных обстоятельств и т. Д.) Являются темой исследования лаборатории прикладной математики Agrocampus (LMA ² ), опубликовавшей книгу, в которой представлены основные методы исследовательского многомерного анализа.^[5]

Программного обеспечения

MFA доступен в двух пакетах R (FactoMineR и ADE4 ) и во многих программных пакетах, включая SPAD, Uniwin, XLSTAT и т. д. Также есть функция SAS^{[постоянная мертвая ссылка ]} . Графики в этой статье взяты из пакета R FactoMineR.

Рекомендации

1. Гринакр, Майкл; Блазиус, Йорг (2006-06-23). Анализ множественных соответствий и связанные методы. CRC Press. С. 352–. ISBN  9781420011319. Получено 11 июн 2014.
2. Паж Жером (2014). Многофакторный анализ на примере с использованием R. Chapman & Hall / CRC The R Series, Лондон. 272p
3. Там же
4. Escofier Brigitte & Pagès Jérôme (2008). Анализирует простые и кратные факторы; объективы, методы и интерпретация. Данод, Париж. 318 с. ISBN  978-2-10-051932-3
5. Хассон Ф., Ле С. и Паж Дж. (2009). Исследовательский многомерный анализ на примере с использованием R. Chapman & Hall / CRC The R Series, Лондон. ISBN  978-2-7535-0938-2

внешняя ссылка

• FactoMineR Программное обеспечение R, предназначенное для исследовательского анализа данных.