聚类FCM算法

聚类FCM算法

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在科研生活中，学习算法的时间不是很多，毕竟不是主要搞算法的，但是作为读研狗毕竟还是要毕业写论文的，算法还是要慢慢积累。
学习算法的目的很清晰，主要分为三点：一是扩展知识面，在这个AI如此火爆的年代，搞技术的出去别人聊AI要能听得懂，明白一些算法的思路才可以和别人正常交流；二是活跃思维，学习算法的创新点，锻炼大脑；三是学习解决问题的方法，码农工作中有的问题也需要高逼格的算法。
在科研过程中，每个人自己主攻方向，但是其他的方向都是有必要了解的，当然没必要花费太多的时间，拿算法来看，专门搞算法的算法大牛可能优化一种算法需要几个月去不断尝试，但是对于我来说，花半天时间看看博客，论文综述了解思路就可以了，知道这个算法干嘛的，抽象为什么数学问题，怎么解决完全够了。最后说一句，学过的东西都是有用的，行业都有共性，思路很重要。

参考博客:
http://blog.csdn.net/on2way/article/details/47087201 公式推导
http://www.cnblogs.com/ybjourney/p/4735335.html matlab版本实现
http://blog.csdn.net/cuifengqinghan/article/details/52725242 java版本有可视化界面

下面介绍我们的FCM算法，大致分为下面3个部分，有了下面的三个问题思路会很清晰

• FCM算法是什么，用来做什么？
• FCM的数学模型，如何求解数学模型？
• FCM的编码实现？

1. FCM简介

FCM算法，模糊C均值（Fuzzy C-means）算法，是基于目标函数的模糊聚类算法，主要用于数据的聚类分析。

      模糊就是这个算法的重点和特点，模糊就是不确定的。拿人来举例子，人的年龄，一个人20岁就是20岁，18岁就是18岁所以人的年龄是确定的；人的外貌是不确定的，一个人漂亮不漂亮没办法直接给出一个确定的答复，只能说0.8分漂亮，0.2分不漂亮，这就是模糊。模糊有一个重要的感念隶属度，一般用u表示，表示一个样本属于这种结果的程度，漂亮不漂亮的问题就可以这样描述了

      看了上图，只需要明白怎么表示隶属度就可以了，其中i代表了样本，a,b代表2中分类，一个样本属于不同分类点的求和等于1（0.8+0.2=1），这个很好想的。最后不要问为什么用Uai表示而不是Uia

Fcm算法的优点是什么？
      传统的聚类分析是把每个元素严格的划分到一个类中，属于硬划分。模糊聚类分析将聚类生成的每个簇均看做模糊集合，通过隶属度来确定聚类关系，是一种柔性划分，得到元素属于各个簇的不确定性程度，使得聚类结果更加准确灵活，因此，模糊聚类分析逐渐成为聚类分析的主流。

2.FCM的属性模型

具体的推导公式看<<参考博客1>>

现在提出一个具体的问题，我们有数据集X，有n个数据，要把这些数据化成c类，每个类都有一个对应的中心C，每个样本j属于某一类i的隶属度为uij，所以我们可以得到一个目标函数J（1）和约束条件（2），我们要做的就是求取目标函数的极值？

上述公式中各个符合的意义
- J     代表了目标函数
- c     最后聚合的分类数目
- n     数据集中的数据个数
- uij     样本j属于类i的隶属度
- xj     数据集j的位置
- Ci     类i的中心位置
- m     结合代码发现取（2-6）都可以，是样本的轻缓程度

我们可以发现公式（1）就是由样本的隶属度与样本到类中心的欧氏距离相城组成，公式（2）就是说一个样本属于所有类的隶属度之和为1，公式（1）的物理意义就是当分类

如何解决这个非线性规划问题？
      采用拉格朗日乘数法把约束条件拿到目标函数中去，再把得到的公式分别对Uij，Ci求导数，利用约束条件消减就可以得到下列的结论

      上面两个公式是算法的关键

• Uij        物理意义是Uij越大，表示点j到i之外的类中心的距离乘积越大，就是远离其他类中心而靠近i类中心，也和隶属度的意义一致
• Ci       本质上是对样本点加权平均，当i类中心确定后，首先将所有点到该类的隶属度u求和，隶属度除以这个和就是所占的比重乘以xj就是这个点对于这个类i的贡献值

3.FCM的编码

上面的最后两个公式Uij和ci公式中互相包含，所以我们可以随便给一个赋值，然后开始迭代，用U算C，再用C算U…，结束条件可以是迭代多少次或者两次迭代后J值变化小于一个误差

FCM算法的一般步骤为：
**1.确定分类数c,指数m的值，迭代次数（防止达不到所需精度时停止迭代）
2.随机产生Uij，归一化（因为约束条件（2））
—开始循环迭代指定次数
3.根据U计算聚类中心C的位置
4.再根据C去计算U
5.计算目标函数J的大小和上一次迭代J的大小进行，小于要求精度就退出迭代，否则退出迭代
—迭代次数达到要求或者两次J之差小于精度要求
6，计算每个点到所有类Uij的最大值来决定这个点属于哪个类，标识**

具体的代码实现由Matlab的版本<<参考博客2>>和Java可视化版本<<参考博客3>>