【K 均值聚类】02/5：简介

news2024/11/25 4:46:24

一、说明

k-mean算法是一种聚类算法，它的主要思想是基于数据点之间的距离进行聚类。K-means聚类是一种无监督的机器学习算法。让我们再解释一下这句话。聚类分析的目标是将数据划分为同类聚类。每个聚类中的点彼此之间比其他聚类中的点更相似。

无监督机器学习是在没有任何标签的数据集上进行训练的。目标是发现数据中的模式或关系，而不是根据一组标记的示例进行预测。

K 均值算法以迭代方式将数据点分配给最近的聚类中心，并根据分配点的均值更新聚类中心。目标是最小化数据点与其最近的聚类中心之间的平方距离之和。

K 是指定聚类数的超参数。

二、算法

输入：K 和点 x1，x2,...,xn

将质心放置在随机 c1，c2,...,ck 位置

重复直到收敛

-对于每个点 xi

计算距离并找到最近的质心 cj，argmin D （xi，cj），即欧几里得。
将点 XI 标记为集群 CJ

-对于每个簇 j = 1...K;

质心 CJ 的新位置是其所有点 XI 的平均值。

当集群的位置没有变化时结束它。

复杂度：O （#iterations * #clusters * #instances * #dimensions）

让我们可视化这些算法步骤，以便更好地理解。假设我们有如下所示的二维数据。我们还确定了 2 作为 K 个簇的数量。首先，让我们将 2 个质心放在随机位置。

随机质心。图片由作者提供。

然后，我们计算每个点的欧几里得距离并分配标签。

分配标签。图片由作者提供。

计算每个聚类的新中心并将质心移动到新位置。

质心的新位置。图片由作者提供。

重复计算距离并分配标注。

New labels. Image by the author.

Carry the centroids.

携带质心。图片由作者提供。

我们无法再更改位置。这些是最后的集群。

最终状态。图片由作者提供。

三、算法积极的一面

简单。易于理解和解释。
多才多艺。K-Means 可用于广泛的聚类任务，包括图像分割、文本分类和市场细分。
快。它通常提供快速解决方案（当然取决于数据集和问题定义）。

四、约束

群集形状。它不适用于具有细长形状或不均匀形状的簇。
初始条件。不同的初始条件可以产生不同的最终聚类
异常。对异常值敏感。
高维数据。对于更高维度的数据效率不高。

五、代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans
np.random.seed(42)

# dataset
x1 = np.random.normal(0, 0.5, (50, 2))
x2 = np.random.normal(3, 0.5, (50, 2))
X = np.concatenate([x1, x2], axis=0)

# k-means
model = KMeans(n_clusters=2)
model.fit(X)
labels = model.predict(X)

# plot
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=labels)
plt.scatter(model.cluster_centers_[:, 0], model.cluster_centers_[:, 1], marker='x', s=200, linewidths=3, color='r')
plt.show()

图片由作者提供。

如上所述，K-Means 不适用于不均匀的形状：

from sklearn.datasets import make_moons

# nonuniform shape
X, _ = make_moons(n_samples=200, noise=0.05, random_state=0)

model = KMeans(n_clusters=2)
model.fit(X)
labels = model.predict(X)

# plot
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=labels)
plt.scatter(model.cluster_centers_[:, 0], model.cluster_centers_[:, 1], marker='x', s=200, linewidths=3, color='r')
plt.show()

Not a good result. Image by the author.

The parameters of the model of :KMeanssklearn

n_clusters是聚类数。这是最重要的参数。如果我们没有关于要使用的集群数量的先验信息，我们可以使用 elbow 方法（如下所述）。
init指定初始化质心的方法。默认方法是，它巧妙地选择初始质心以减少收敛所需的迭代量。另一个选项是，它随机初始化质心。通常是首选。"k-means++""random""k-means++"
n_init指定使用不同质心种子运行算法的次数。最终结果将是惯性方面连续运行n_init的最佳输出。常见的选择是设置 .如果算法容易卡在局部最小值，则可以使用较高的值。n_init=10
max_iter是单次运行的最大迭代次数。300 是一个不错的选择。
tol是关于聚类内平方和变化的容差。如果聚类内平方和的变化小于此值，则算法将停止。常见的选择是设置 .tol=1e-04

重要属性：

cluster_centers_包含聚类中心。
labels_包含每个点的标签。
inertia_表示样本到其最近聚类中心的平方距离之和。

六、elbow 法

如果我们没有关于如何选择聚类数量的先验信息，那么我们使用 elbow 方法。

肘部方法背后的想法是在数据集上运行 K-Means 聚类，以获取不同的 k（聚类数）值，并测量点与其最近聚类中心之间的平方距离（SSE）之和。

然后将 SSE 值与聚类数绘制，创建“弯头”形状。在 SSE 开始以较慢的速度减少时选择最佳聚类数。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_blobs
from sklearn.cluster import KMeans

# dataset with 5 clusters
X, _ = make_blobs(n_samples=500, centers=5, random_state=42)

生成的数据集。图片由作者提供。

# the Within-Cluster-Sum of Squared Error (WCSS) for different numbers of clusters
error = []
for i in range(1, 11):
    model = KMeans(n_clusters=i, init='k-means++', max_iter=300, n_init=10, random_state=0)
    model.fit(X)
    error.append(model.inertia_)

# elbow plot
plt.plot(range(1, 11), wcss)
plt.title('Elbow Method')
plt.xlabel('Number of clusters')
plt.ylabel('WCSS')
plt.show()

该图显示，WCSS 随着簇数量的增加而减小，并在 5 个簇时达到“肘部”。

# K-Means model with 5 clusters
model = KMeans(n_clusters=5, init='k-means++', max_iter=300, n_init=10, random_state=0)
result = model.fit_predict(X)

# Plot the clusters
plt.scatter(X[:,0], X[:,1], c=result)
plt.scatter(model.cluster_centers_[:, 0], model.cluster_centers_[:, 1], s=300, c='red')
plt.show()