《Unsupervised Deep Embedding for Clustering Analysis》论文学习

1. Introduction      

       聚类在无监督机器学习中由这几个方面进行了研究:如何定义一个类?什么是正确的距离矩阵?如何对数据进行有效聚类?如何验证聚类结果?至今已有许多工作致力于距离函数与嵌入方法的研究,用于执行聚类的特征空间无监督学习的的研究工作还比较少。For all but simplest image datasets,使用欧氏距离的聚类完全失效。本文希望找到一种方案,可以联合解决特征空间学习与聚类关系判别。

  本文定义了一个由数据空间X到低维特征空间Z的参数化非线性映射,在低维空间优化聚类目标。此前的工作在数据空间或是浅层线性嵌入空间上进行操作,本文在聚类目标上采用反向传播的SGD来学习映射,该映射被深度神经网络进行了参数化,被称为DEC。

  如何优化DEC?本文希望同时解决聚类分配与潜在特征表示的学习,然而无法通过标签数据训练DNN。因此本文提出使用目前的soft cluster assignment派生出的辅助目标分布来迭代细化聚类。这个过程可以同时改进聚类与特征表示。

2. Related work

  有些方法可以拥有解决一系列问题,但是它们的距离矩阵限于初始数据空间,当输入维度过高时,它们会变得没有效果。

  还有一些方法为了解决高维输入空间的问题:首先使用k-means聚类数据,然后将数据投影到低维使之类间差异最大化。这种框架受限于线性嵌入。

  最小化数据分布与嵌入分布间的Kullback-Leibler (KL) divergence被用于数据可视化与降维,例如t-SNE,是一个非参数的方法,其参数化变种通过DNN来参数化embedding。

3. Deep embedded clustering

  考虑n个点的聚类问题,将划分为k个聚类,,j=1,2……k表示k个聚类中心。并非直接在聚类空间X中聚类,我们首先将数据使用非线性映射:X→Z,θ是学习到的参数,Z是潜在特征空间。Z的维度一般来说要比X小的多。使用DNN来参数化

  DEC算法同时学习特征空间Z的k个聚类中心和用于映射的参数θ。DEC有两个阶段:(1)使用deep autoencoder初始化参数 (2)参数优化(聚类),该过程中,本文在计算辅助目标分布于最小化KL之间交替进行。本文从参数优化过程开始阐述,给定θ与参数中心u的初始估计。

3.1 通过 KL divergence 聚类

  给定θ与参数中心u的初始估计,本文提出使用分两步迭代进行的非监督算法来改进聚类。第一步:计算嵌入点与聚类中心间的soft assignment(当某点与某聚类中心依概率符合分布时,将其分配给该中心);第二步:更新映射,通过从"使用辅助目标分布的高自信assignments"中学习来细化聚类中心。这个过程直到某种收敛准则符合而停止。

3.1.1 SOFT ASSIGNMENT

  本文使用学生t-分布作为kernel来衡量嵌入点zi与中心点uj的相似性:

                        

其中, 对应于的嵌入点,α是t分布的自由度,可以解释为将样本i分配给聚类j的概率(soft assignment)。因为在非监督学习中无法交叉验证α,所以没必要学习它,统一设置为1。

PS:软分配概念


3.1.2 KL DIVERGENCE MINIMIZATION

  在辅助目标函数的帮助下,本文从高自信assignments中学习,迭代精炼聚类。本文模型通过将soft assignment与目标分布进行匹配来进行训练。为实现该目的,本文将目标函数设置为soft assignments与辅助分布之间的KLdivergence损失:

                         

  目标分布P的选择对于DEC的表现来说至关重要。幼稚的做法是将每个pi设置为高于置信度阈值的数据点的delta分布(到最近的质心),并忽略其余部分。然而,由于qi是soft assignments,因此随qi使用softer probabilistic targets是一件自然而然的选择。本文希望target distribution具有以下性质:(1)强化预测,(2)更加重视高可信度地分配的数据点,(3)规范每个质心的损失贡献,以防止大类扭曲隐藏的特征空间。

  本文实验通过首先将qi提高到第次幂然后按每个簇的频率归一化来计算pi:

                             

其中,是软聚类频率。

3.1.3 OPTIMIZATION

  本文联合优化聚类中心uj和DNN的参数θ(通过动量SGD)。L的梯度与数据点zi的嵌入特征空间和每个聚类中心uj有关,如下计算:

                        《Unsupervised Deep Embedding for Clustering Analysis》论文学习_第1张图片

  梯度随后被传递给DNN,用于标准反向传播来计算DNN的参数梯度为了发现聚类分配的目的,本文设置当少于总量的tol%数据点在连续迭代间改变其所属类时停止优化。

  

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