Clusters - Puntos , USArrests y Clientes

Teoría

Agrupamiento o Clustering es una técnica de aprendizaje automático no supervisado que agrupa datos en función de su similitud.

Algunos usos típicos de esta técnica son:

• Segmentación de clientes
• Detección de anormalidades
• Categorización de documentos

Instalar paquetes y llamar librerias

#install.packages("cluster") #Análisis de Agrupamiento
library(cluster)
#install.packages("ggplot2") #Graficar
library(ggplot2)
#install.packages("data.table")  #Manejo de muchos datos
library(data.table)

## 
## Adjuntando el paquete: 'data.table'

## The following object is masked from 'package:base':
## 
##     %notin%

#install.packages("factoextra")  #Gráfica de optimización del número de clusters
library(factoextra) 

## Welcome to factoextra!

## Want to learn more? See two factoextra-related books at https://www.datanovia.com/library/principal-component-methods

#install.packages("datasets")
library(datasets)
#install.packages("tidyverse")
library(tidyverse)

## ── Attaching core tidyverse packages ──────────────────────── tidyverse 2.0.0 ──
## ✔ dplyr     1.2.1     ✔ readr     2.2.0
## ✔ forcats   1.0.1     ✔ stringr   1.6.0
## ✔ lubridate 1.9.5     ✔ tibble    3.3.1
## ✔ purrr     1.2.2     ✔ tidyr     1.3.2

## ── Conflicts ────────────────────────────────────────── tidyverse_conflicts() ──
## ✖ dplyr::between()     masks data.table::between()
## ✖ dplyr::filter()      masks stats::filter()
## ✖ dplyr::first()       masks data.table::first()
## ✖ lubridate::hour()    masks data.table::hour()
## ✖ lubridate::isoweek() masks data.table::isoweek()
## ✖ lubridate::isoyear() masks data.table::isoyear()
## ✖ dplyr::lag()         masks stats::lag()
## ✖ dplyr::last()        masks data.table::last()
## ✖ lubridate::mday()    masks data.table::mday()
## ✖ lubridate::minute()  masks data.table::minute()
## ✖ lubridate::month()   masks data.table::month()
## ✖ lubridate::quarter() masks data.table::quarter()
## ✖ lubridate::second()  masks data.table::second()
## ✖ purrr::transpose()   masks data.table::transpose()
## ✖ lubridate::wday()    masks data.table::wday()
## ✖ lubridate::week()    masks data.table::week()
## ✖ lubridate::yday()    masks data.table::yday()
## ✖ lubridate::year()    masks data.table::year()
## ℹ Use the conflicted package (<http://conflicted.r-lib.org/>) to force all conflicts to become errors

Ejercicio 1. Puntos

Contexto

Agrupa los siguientes 8 puntos.

Obtener datos

df1 <- data.frame(x=c(2,2,8,5,7,6,1,4), y=c(10,5,4,8,5,4,2,9))

Entender datos

summary(df1)

##        x               y         
##  Min.   :1.000   Min.   : 2.000  
##  1st Qu.:2.000   1st Qu.: 4.000  
##  Median :4.500   Median : 5.000  
##  Mean   :4.375   Mean   : 5.875  
##  3rd Qu.:6.250   3rd Qu.: 8.250  
##  Max.   :8.000   Max.   :10.000

str(df1)

## 'data.frame':    8 obs. of  2 variables:
##  $ x: num  2 2 8 5 7 6 1 4
##  $ y: num  10 5 4 8 5 4 2 9

plot(df1$x, df1$y )

Escalar datos

#datos_escalados <- scale(Datos_originales)

Asignar número de grupos

grupos1 <- 3

Agrupar los puntos

set.seed(123)
clusters1 <- kmeans(df1, grupos1)
clusters1

## K-means clustering with 3 clusters of sizes 2, 3, 3
## 
## Cluster means:
##          x        y
## 1 1.500000 3.500000
## 2 3.666667 9.000000
## 3 7.000000 4.333333
## 
## Clustering vector:
## [1] 2 1 3 2 3 3 1 2
## 
## Within cluster sum of squares by cluster:
## [1] 5.000000 6.666667 2.666667
##  (between_SS / total_SS =  85.8 %)
## 
## Available components:
## 
## [1] "cluster"      "centers"      "totss"        "withinss"     "tot.withinss"
## [6] "betweenss"    "size"         "iter"         "ifault"

Optimizar número de grupos

set.seed(123)
optimizacion1 <- clusGap(df1, FUN=kmeans, nstart=1, K.max=7)
#El K.max normalmente es 10, en este ejercicio al ser 8 datos se dejó en 7,
plot(optimizacion1, xlab="Número de clustersk", main="Optimización de Clusters")

#S selecciona como óptimo el primer punto más alto.
#Si es diferente al original, regresar y ajustar.

Graficar los grupos

fviz_cluster(clusters1, data=df1)

Agregar grupos a la base de datos

df1_clusters <- cbind(df1, cluster = clusters1$cluster)
head(df1_clusters)

##   x  y cluster
## 1 2 10       2
## 2 2  5       1
## 3 8  4       3
## 4 5  8       2
## 5 7  5       3
## 6 6  4       3

Conclusiones

La técnica de clustering permite identificar patrones o grupos naturales en los datos sin necesidad de etiquetas previas

Ejercicio 2. USArrests

Contexto

La base de datos USArrests contiene estadísticas een arrestos por cada 100,000 residentes por agresión, asesinato y violación en cada uno de los 50 estados de EE.UU. en 1973.

Obtener datos

df2 <- USArrests
df2 <- df2 %>% select(-UrbanPop)

Entender datos

summary(df2)

##      Murder          Assault           Rape      
##  Min.   : 0.800   Min.   : 45.0   Min.   : 7.30  
##  1st Qu.: 4.075   1st Qu.:109.0   1st Qu.:15.07  
##  Median : 7.250   Median :159.0   Median :20.10  
##  Mean   : 7.788   Mean   :170.8   Mean   :21.23  
##  3rd Qu.:11.250   3rd Qu.:249.0   3rd Qu.:26.18  
##  Max.   :17.400   Max.   :337.0   Max.   :46.00

str(df2)

## 'data.frame':    50 obs. of  3 variables:
##  $ Murder : num  13.2 10 8.1 8.8 9 7.9 3.3 5.9 15.4 17.4 ...
##  $ Assault: int  236 263 294 190 276 204 110 238 335 211 ...
##  $ Rape   : num  21.2 44.5 31 19.5 40.6 38.7 11.1 15.8 31.9 25.8 ...

Escalar datos

df2_escalados <- scale(df2)
summary(df2_escalados)

##      Murder           Assault             Rape        
##  Min.   :-1.6044   Min.   :-1.5090   Min.   :-1.4874  
##  1st Qu.:-0.8525   1st Qu.:-0.7411   1st Qu.:-0.6574  
##  Median :-0.1235   Median :-0.1411   Median :-0.1209  
##  Mean   : 0.0000   Mean   : 0.0000   Mean   : 0.0000  
##  3rd Qu.: 0.7949   3rd Qu.: 0.9388   3rd Qu.: 0.5277  
##  Max.   : 2.2069   Max.   : 1.9948   Max.   : 2.6444

Asignar número de grupos

grupos2 <- 5

Agrupar los puntos

set.seed(123)
clusters2 <- kmeans(df2_escalados, grupos2)

Optimizar número de grupos

set.seed(123)
optimizacion2 <- clusGap(df2_escalados, FUN=kmeans, nstart=1, K.max=10)
#El K.max normalmente es 10, en este ejercicio al ser 8 datos se dejó en 7,
plot(optimizacion2, xlab="Número de clusters k", main="Optimización de Clusters")

#S selecciona como óptimo el primer punto más alto.
#Si es diferente al original, regresar y ajustar.

Graficar los grupos

fviz_cluster(clusters2, data=df2_escalados)

Agregar grupos a la base de datos

df2_clusters <- cbind(df2, cluster = clusters2$cluster)
head(df2_clusters)

##            Murder Assault Rape cluster
## Alabama      13.2     236 21.2       5
## Alaska       10.0     263 44.5       4
## Arizona       8.1     294 31.0       1
## Arkansas      8.8     190 19.5       3
## California    9.0     276 40.6       4
## Colorado      7.9     204 38.7       4

df2_clusters %>% group_by(cluster) %>% summarise_all(mean) %>% mutate(indicador_inseguridad=Murder+Assault+Rape)

## # A tibble: 5 × 5
##   cluster Murder Assault  Rape indicador_inseguridad
##     <int>  <dbl>   <dbl> <dbl>                 <dbl>
## 1       1  11.4    282.   29.7                 323. 
## 2       2   3.08    80.9  11.8                  95.8
## 3       3   6.59   146.   20.1                 172. 
## 4       4   9.78   249.   42.4                 301. 
## 5       5  14.4    245    22.2                 282.

df2_clusters <- df2_clusters %>%
  mutate(cluster=case_when(
    cluster == 1 ~ "Inseguridad Muy Alta", 
    cluster == 4 ~ "Inseguridad Alta",
    cluster == 5 ~ "Inseguridad Media",
    cluster == 3 ~ "Inseguridad Baja",
    cluster == 2 ~ "Inseguridad Muy Baja",
    
  ))
head(df2_clusters)

##            Murder Assault Rape              cluster
## Alabama      13.2     236 21.2    Inseguridad Media
## Alaska       10.0     263 44.5     Inseguridad Alta
## Arizona       8.1     294 31.0 Inseguridad Muy Alta
## Arkansas      8.8     190 19.5     Inseguridad Baja
## California    9.0     276 40.6     Inseguridad Alta
## Colorado      7.9     204 38.7     Inseguridad Alta

Conclusiones

La técnica de clustering permite identificar patrones o grupos naturales en los datos sin necesidad de etiquetas previas

Ejercicio 3. Segmentación de Clientes

Contexto

La base de datos ventas tiene los registros entre el 1 de diciembre de 2010 y el 9 de diciembre de 2011 de las ventas de una empresa minorista en línea sin tienda física, basada en Reino Unido. La empresa vende principalmente regalos únicos para toda ocasión, y muchos de sus clientes son mayoristas. Objetivo: Segmentar clientes, asignarles nombre y características de comportamiento, y proponer sugerencias a la empresa para aumentar ventas.