Clustering: Qué es, usos y métodos

Imagina que te encuentras en una biblioteca gigantesca, repleta de miles de libros de todos los géneros, tamaños y temas. Estos libros representan los datos en el mundo del Big Data, y tu misión sería organizarlos de manera que los libros que compartan mayores similitudes se encuentren juntos.

Esta tarea desafiante es lo que conocemos como «clustering,» y es una de las herramientas más valiosas en el análisis de datos a gran escala. En este artículo, exploraremos en profundidad qué es el clustering, cómo se utiliza en el Big Data y por qué desempeña un papel esencial en la toma de decisiones informadas.

¿Qué es el Clustering?

El clustering es una técnica de análisis de datos que se utiliza para identificar patrones y estructuras ocultas dentro de un conjunto de datos. Su objetivo principal es agrupar objetos o elementos similares en conjuntos llamados «clusters«, de manera que los elementos dentro de un cluster sean más similares entre sí que con respecto a los que encontramos en otros clusters o grupos.

Usos comunes de clusterización de datos

Ahora que tenemos claro qué es el clustering, es hora de explorar sus usos en el mundo real. ¿Para qué sirve esta técnica? ¿Cuáles son sus usos más comunes? Vamos a verlo:

Segmentación de Mercado: En marketing, la clusterización se utiliza para dividir a los clientes en grupos llamados «segmentos» o «clusters» en función de sus comportamientos de compra, preferencias de producto, ubicación geográfica y otros atributos. Esto permite a las empresas personalizar sus estrategias de marketing, mensajes publicitarios y ofertas promocionales para satisfacer las necesidades específicas de cada segmento.
Recomendación de Contenido: Plataformas como Netflix, Amazon y Spotify utilizan esta técnica de agrupación de datos para mejorar la experiencia del usuario al recomendar contenido relevante. Cuando identifican patrones de visualización o escucha similares entre usuarios, pueden sugerir películas, productos o canciones que otros usuarios con perfiles similares también disfrutaron.
Detección de Fraude y/o anomalías: En el sector financiero, la clusterización se utiliza para identificar patrones sospechosos de actividad fraudulenta. Por ejemplo, los bancos pueden agrupar transacciones financieras en base a criterios como la ubicación geográfica, la frecuencia y el monto para detectar actividades anómalas, como el uso no autorizado de tarjetas de crédito.
Agrupación de Documentos: ¿Crear Clusters para organizar grandes colecciones de documentos de texto, como correos electrónicos, informes y artículos? Pues claro, ya que esto facilita la búsqueda y la recuperación de información relevante. Los motores de búsqueda, por ejemplo, pueden utilizar este método para agrupar páginas web relacionadas por temas.
Biología y Genómica: En la investigación biológica, la clusterización se utiliza para agrupar genes, proteínas o secuencias de ADN con patrones de expresión similares.
Optimización de Cadenas de Suministro: Las empresas lo utilizan para agrupar productos o clientes en grupos con características similares en la cadena de suministro.
Análisis de Redes Sociales: En este ámbito, el clustering es realmente interesante y muy usado por todas las plataformas agrupando usuarios con intereses y comportamientos similares. De esta forma facilita la identificación de comunidades y la recomendación de conexiones con otros usuarios y/o contenido relevante. Además, las empresas también pueden utilizar esta información para enfocar sus anuncios en grupos específicos
Exploración de Datos Geoespaciales: En sistemas de información geográfica (SIG), la clusterización se utiliza para identificar áreas geográficas con características similares, como densidad de población, ingresos, uso de suelo o amenazas naturales.
Segmentación de Imágenes y Videos: En visión por computadora también es común usar Machine Learning y Clusterización de datos para agrupar objetos o escenas similares en imágenes o videos.

En cada uno de estos casos, la clusterización de datos ayuda a identificar patrones en los conjuntos de datos, lo que permite tomar mejores decisiones, optimizar la eficiencia y personalizar las experiencias de los usuarios.

Métodos populares de Clustering con aprendizaje automático

Actualmente existen muchas formas de agrupar grandes masas de datos gracias al machine learning y el uso de clusters o agrupaciones de datos. Sin embargo, hay 3 métodos que son los más usados y populares:

K-Means

El algoritmo K-Means es uno de los métodos de clustering más simples y efectivos. Su objetivo es agrupar datos en K clusters, donde K es un número predefinido. Aquí está cómo funciona:

Inicialización de Centroides: El algoritmo comienza seleccionando K puntos de datos como centroides iniciales de los clusters.
Asignación de Puntos: Luego, asigna cada punto de datos al cluster cuyo centroide está más cerca. Esto se hace calculando la distancia (por lo general, la distancia euclidiana) entre cada punto y los centroides.
Actualización de Centroides: Una vez que todos los puntos han sido asignados a clusters, se recalculan los centroides de cada cluster tomando la media de los puntos en ese cluster.
Repetición: Los pasos 2 y 3 se repiten hasta que no haya cambios significativos en la asignación de puntos a clusters o se alcance un número máximo de iteraciones.

Ventajas de K-Means:

Es rápido y escalable.
Funciona bien con grandes conjuntos de datos.
Es fácil de entender e implementar.

Limitaciones de K-Means:

Requiere especificar el número de clusters K de antemano.
Sensible a la inicialización de los centroides.
No funciona bien con datos de forma no esférica o con tamaños de clusters variables.

DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)

DBSCAN es un algoritmo de clustering basado en la densidad de puntos en el espacio de datos. Su enfoque principal es identificar clusters de forma automática y es especialmente útil cuando no se conoce el número de clusters de antemano:

Puntos Núcleo: El algoritmo identifica puntos «núcleo» que tienen un número mínimo de puntos vecinos dentro de una distancia determinada (epsilon).
Expansión de Clusters: A partir de un punto núcleo, el algoritmo se expande para incluir todos los puntos alcanzables dentro de una distancia epsilon.
Clustering Jerárquico: DBSCAN crea clusters de diferentes tamaños y formas, y los puntos que no pertenecen a ningún cluster se consideran «ruido».

Ventajas de DBSCAN:

Identifica clusters de formas irregulares y tamaños variables.
Robusto ante ruido y outliers.
No requiere especificar el número de clusters de antemano.

Limitaciones de DBSCAN:

Sensible a la elección de los parámetros epsilon y el número mínimo de puntos.
No funciona bien con datos de diferentes densidades.

Modelo de Mezcla Gaussiana

El Modelo de Mezcla Gaussiana (GMM) es una técnica que asume que los datos son generados por una mezcla de distribuciones gaussianas (normales). Es útil cuando se desea modelar la estructura probabilística de los clusters:

Inicialización de Modelos: El algoritmo inicia con K modelos gaussianos, cada uno representando un cluster potencial.
Asignación de Probabilidades: Luego, asigna probabilidades a cada punto de datos para pertenecer a cada uno de los K clusters en función de la distribución gaussiana.
Actualización de Modelos: Los modelos se ajustan iterativamente utilizando el algoritmo de maximización de expectativas (EM) para maximizar la probabilidad de los datos dados los modelos.
Repetición: Los pasos 2 y 3 se repiten hasta que los modelos convergen.

Ventajas de GMM:

Modela la estructura probabilística de los datos.
Puede manejar clusters de diferentes formas y tamaños.

Limitaciones de GMM:

Sensible a la inicialización de modelos.
No funciona bien con datos de alta dimensionalidad sin reducción previa de dimensiones.

Cluster, Clustering o Agrupaciones de datos ¿Cuál es la conclusión?

Lo llames como lo llames, significa lo mismo. En resumen, tienes que tener claro que el clustering es una técnica poderosa en el mundo del análisis de datos que se utiliza para agrupar elementos similares en conjuntos llamados clusters. Tiene aplicaciones en una amplia gama de campos y desempeña un papel crucial en el análisis de Big Data. Al comprender los conceptos básicos, los usos y los métodos del clustering, estás preparado para explorar aún más este emocionante campo y aprovechar su potencial en tus proyectos de análisis de datos y Big Data.