机器学习之K均值算法(K-means)聚类

文章目录

  • 一、K-means算法原理
  • 二、实战1
    • 2.1、make_blobs随机生成点
    • 2.2、聚类
    • 2.3、轮廓系数
  • 三、实战2
    • 3.1、导入数据
    • 3.2、切分数据
    • 3.3、聚类
    • 3.4、查看所有的国家
    • 3.5、聚类国家


操作平台: windows10, python37, jupyter



一、K-means算法原理

聚类的概念:一种无监督的学习,事先不知道类别,自动将相似的对象归到同一个簇中。

  • K-Means算法是一种聚类分析(cluster analysis)的算法,其主要是来计算数据聚集的算法,主要通过不断地取离种子点最近均值的算法。
    机器学习之K均值算法(K-means)聚类_第1张图片
  • K-Means算法主要解决的问题如下图所示。我们可以看到,在图的左边有一些点,我们用肉眼可以看出来有四个点群,但是我们怎么通过计算机程序找出这几个点群来呢?于是就出现了我们的K-Means算法

机器学习之K均值算法(K-means)聚类_第2张图片

  • 这个算法其实很简单,如下图所示:
    机器学习之K均值算法(K-means)聚类_第3张图片

从上图中,我们可以看到,A,B,C,D,E是五个在图中点。而灰色的点是我们的种子点,也就是我们用来找点群的点。有两个种子点,所以K=2。

  • GIF动画实例:

    它们先分别连接离自己最近的点,然后移动到中间,再放弃不是离自己最近的点,重新连接离自己近的点。

然后,K-Means的算法如下:

  1. 随机在图中取K(这里K=2)个种子点。
  2. 然后对图中的所有点求到这K个种子点的距离,假如点Pi离种子点Si最近,那么Pi属于Si点群。(上图中,我们可以看到A,B属于上面的种子点,C,D,E属于下面中部的种子点)
  3. 接下来,我们要移动种子点到属于他的“点群”的中心。(见图上的第三步)
  4. 然后重复第2)和第3)步,直到,种子点没有移动(我们可以看到图中的第四步上面的种子点聚合了A,B,C,下面的种子点聚合了D,E)。

这个算法很简单,重点说一下“求点群中心的算法”:欧氏距离(Euclidean Distance):差的平方和的平方根
在这里插入图片描述
K-Means主要最重大的缺陷——都和初始值有关:

  1. K是事先给定的,这个K值的选定是非常难以估计的。很多时候,事先并不知道给定的数据集应该分成多少个类别才最合适。(ISODATA算法通过类的自动合并和分裂,得到较为合理的类型数目K)

  2. K-Means算法需要用初始随机种子点来搞,这个随机种子点太重要,不同的随机种子点会有得到完全不同的结果。(K-Means++算法可以用来解决这个问题,其可以有效地选择初始点)

总结:K-Means算法步骤:

  1. 从数据中选择k个对象作为初始聚类中心;
  2. 计算每个聚类对象到聚类中心的距离来划分;
  3. 再次计算每个聚类中心
  4. 计算标准测度函数,直到达到最大迭代次数,则停止,否则,继续操作。
  5. 确定最优的聚类中心

K-Means算法应用:
看到这里,你会说,K-Means算法看来很简单,而且好像就是在玩坐标点,没什么真实用处。而且,这个算法缺陷很多,还不如人工呢。是的,前面的例子只是玩二维坐标点,的确没什么意思。但是你想一下下面的几个问题:

1)如果不是二维的,是多维的,如5维的,那么,就只能用计算机来计算了。
2)二维坐标点的X,Y 坐标,其实是一种向量,是一种数学抽象。现实世界中很多属性是可以抽象成向量的,比如,我们的年龄,我们的喜好,我们的商品,等等,能抽象成向量的目的就是可以让计算机知道某两个属性间的距离。如:我们认为,18岁的人离24岁的人的距离要比离12岁的距离要近,鞋子这个商品离衣服这个商品的距离要比电脑要近,等等。



二、实战1

2.1、make_blobs随机生成点

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

# 无监督学习,只有分类
from sklearn.cluster import KMeans

import sklearn.datasets as datasets
#随机生成点
X,y = datasets.make_blobs()
#画散点图
plt.scatter(X[:,0],X[:,1]) #如果加上 c = y ,那么散点自带颜色

机器学习之K均值算法(K-means)聚类_第4张图片

2.2、聚类

kmeans = KMeans(3) #聚成3类

kmeans.fit(X)

y_ = kmeans.predict(X)

plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c = y_) #画散点图

机器学习之K均值算法(K-means)聚类_第5张图片



2.3、轮廓系数

  • 当一个数据我们不知道聚成多少类合适时,我们可以通过轮廓系数的最大值来确定,轮廓系数越大,说明聚类越好。
from sklearn.metrics import silhouette_score
kmeans = KMeans(2) #聚成两类

kmeans.fit(X)

y_ = kmeans.predict(X)

print (silhouette_score(X,y_)) # 查看轮廓系数
0.7182695065525002


三、实战2

Kmeans将亚洲足球队自动分组

3.1、导入数据

#导入库
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.cluster import KMeans
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

#导入数据,并添加表头
data = pd.read_csv('./Asiafootball.txt',header = None,names = ['国家','2006','2010','2007'])
data
国家 2006 2010 2007
0 中国 50 50 9
1 日本 28 9 4
2 韩国 17 15 3
3 伊朗 25 40 5
4 沙特 28 40 2
5 伊拉克 50 50 1
6 卡塔尔 50 40 9
7 阿联酋 50 40 9
8 乌兹别克斯坦 40 40 5
9 泰国 50 50 9
10 越南 50 50 5
11 阿曼 50 50 9
12 巴林 40 40 9
13 朝鲜 40 32 17
14 印尼 50 50 9

3.2、切分数据

X = data.iloc[:,1:] #把国家切掉
X.head(3) #显示前三行数据
2006 2010 2007
0 50 50 9
1 28 9 4
2 17 15 3

3.3、聚类

kmeans = KMeans(n_clusters=3)
kmeans.fit(X)
y_ = kmeans.predict(X)
y_
array([2, 1, 1, 0, 0, 2, 2, 2, 0, 2, 2, 2, 0, 0, 2])

结果分析: 现在已经上面的数据已经被分为三类了,得到每个的索引。


3.4、查看所有的国家

c = data['国家'].values
c
array(['中国', '日本', '韩国', '伊朗', '沙特', '伊拉克', '卡塔尔', '阿联酋', '乌兹别克斯坦', '泰国',
       '越南', '阿曼', '巴林', '朝鲜', '印尼'], dtype=object)

3.5、聚类国家

  • 根据国家的战况,放战力差不多的国家聚在一起。
for i in range(3):
    print(c[np.argwhere(y_ == i).ravel()])
['伊朗' '沙特' '乌兹别克斯坦' '巴林' '朝鲜']
['日本' '韩国']
['中国' '伊拉克' '卡塔尔' '阿联酋' '泰国' '越南' '阿曼' '印尼']

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