机器学习实战——K均值

文章目录

  • 1 K均值聚类算法
  • 2 使用后处理来提高聚类性能
  • 3 二分K-均值算法
  • 4 示例:对地图上的点进行聚类
  • 5 总结
  • 6 补充

  • Supervised learning:目标变量实现存在

    • 输入X,预测/分类变量Y
  • Unsupervised learning:目标变量实现不存在

    • 从数据X中能发现什么?
    • 聚类与分类:分类的目标实现已经知道,聚类的类别没有预先定义,聚类有时也叫做“无监督分类”
  • Clustering聚类是一种无监督的学习, 它将相似的对
    象归到一个簇中, 将不相似对象归到不同簇中.

    • Similarity相似这一概念取决于所选择的相似度计算方法
    • K-Means 是发现给定数据集的 K 个簇的聚类算法, 之所以称之为K-均值:
    • 可以发现 K 个不同的簇, 且每个簇的中心采用簇中所含值的均值计算而成.
    • 簇个数 K 是用户指定的, 每一个簇通过其质心(centroid), 即簇中所有点的中心来描述.聚类与分类算法的最大区别在于, 分类的目标类别已知, 而聚类的目标类别是未知的.

1 K均值聚类算法

  • K-均值是发现给定数据集的k个簇的算法,每个簇通过其质心来描述。
    • 其优点为容易实现,但可能收敛到局部最小值,在大规模数据集上收敛较慢。
    • 随机确定k个初始点为质心,为每个点找距其最近的质心,并将其分配给该质心所对应的簇,每个簇的质心更新为该簇所有点的平均值。
    • 质心可用任意距离度量方式,但结果相应的受到距离度量方式影响。
    • 应用场景:主要用来聚类, 但是类别是未知的.例如: 对地图上的点进行聚类.
  • 簇: 所有数据点集合,簇中的对象是相似的。
  • 质心: 簇中所有点的中心(计算所有点的均值而来).
  • SSE: Sum of Sqared Error(平方误差和), SSE 值越小,表示越接近它们的质心. 由于对误差取了平方,因此更加注重那么远离中心的点
    伪代码:
创建K个点作为起始质心(通常是随机选择)
当任意一个点的簇分配结果发生改变时
    对数据集中的每个数据点
        对每个质心
            计算质心于数据点之间的距离
        将数据点分配到距其最近的簇
    对每一个簇,计算簇中所有点的均值并将均值作为质心

python代码

def loadDataSet(fileName):
    """
    从文件加载数据集
    :param fileName: 文件名
    :return:数据矩阵
    """
    dataMat = []
    fr = open(fileName)
    for line in fr.readlines():
        curLine = line.strip().split('\t')
        # 映射所有的元素为float(浮点型)类型
        fltLine = list(map(float, curLine))
        dataMat.append(fltLine)
    return dataMat


def distEclud(vecA, vecB):
    """
    计算两个向量的欧式距离
    :param vecA: A向量
    :param vecB: B向量
    :return: 量向量之间的欧式距离
    """
    return np.sqrt(sum(np.power(vecA - vecB, 2)))


def randCent(dataSet, k):
    """
    构建一个包含k个随机质心的集合
    :param dataSet: 数据集
    :param k: 质心数量
    :return: 质心集合
    """
    col = np.shape(dataSet)[1]  # 列的数量
    centroids = np.mat(np.zeros((k, col)))  # 创建K个质心矩阵
    # 创建随机簇质心,并且在每一维的边界内
    for j in range(col):
        minJ = min(dataSet[:, j])  # 最小值
        rangeJ = float(max(dataSet[:, j]) - minJ)  # 范围 = 最大值 - 最小值
        centroids[:, j] = np.mat(minJ + rangeJ * np.random.rand(k, 1))  # 随机生成
    return centroids


def kMeans(dataSet, k, distMeas=distEclud, createCent=randCent):
    """
    k_means聚类算法
    :param dataSet:数据集
    :param k:质心数量
    :param distMeas:距离计算方法,默认欧氏距离distEclud()
    :param createCent:获得k个质心的方法,默认随机获取randCent()
    :return:k个聚类,聚类结果及误差
    """
    row = np.shape(dataSet)[0]  # 行数
    clusterAssment = np.mat(np.zeros((row, 2)))  # 创建一个与dataSet行数一样,但是有两列的矩阵,用来保存簇分配结果
    centroids = createCent(dataSet, k)  # 创建k个随机质心
    clusterChanged = True  # 聚类结果是否发生变化的布尔类型
    while clusterChanged:  # 只要聚类结果一直发生变化,就一直执行聚类算法,直至所有数据点聚类结果不变化
        clusterChanged = False  # 聚类结果变化布尔类型置为false
        for i in range(row):  # 循环每一个数据点并分配到最近的质心中去
            # 初始化最小距离最正无穷;最小距离对应索引为-1
            minDist = np.inf
            minIndex = -1
            for j in range(k):  # 循环k个类的质心
                distJI = distMeas(centroids[j, :], dataSet[i, :])  # 计算数据点到质心的欧氏距离
                if distJI < minDist:  # 如果距离比minDist(最小距离)还小,更新minDist(最小距离)和质心的索引(index)
                    # 当前距离定为当前最小距离;最小距离对应索引对应为j(第j个类)
                    minDist = distJI
                    minIndex = j
            if clusterAssment[i, 0] != minIndex:  # 当前聚类结果中第i个样本的聚类结果发生变化:布尔类型置为true,继续聚类算法
                clusterChanged = True  # 簇改变
            clusterAssment[i, :] = minIndex, minDist ** 2  # 更新当前变化样本的聚类结果和平方误差
        print(centroids)
        for cent in range(k):  # 更新质心
            ptsInClust = dataSet[np.nonzero(clusterAssment[:, 0].A == cent)[0]]  # 将数据集中所有属于当前质心类的样本通过条件过滤筛选出来
            centroids[cent, :] = np.mean(ptsInClust, axis=0)  # 将质心修改为簇
    # 返回k个聚类,聚类结果及误差
    return np.mat(centroids), clusterAssment

2 使用后处理来提高聚类性能

  • Poor clusters: K-均值的缺点是需要预先确定簇的数目k,如何确定k的选择是否正确是比较重要的问题。K-均值算法收敛但聚类效果较差的原因是K-均值算法可能收敛到了局部最小值而非全局最小值。Local minimum
    • 一种度量聚类效果的指标是SSE(sum of squared error,误差平方和)。SSE值越小表示数据点越接近于它们的质心,聚类效果也越好。可通过增加簇的个数降低SSE,但不符合聚类的目标:保持簇数目不变的情况下提高簇的质量
    • 可以对生成的簇进行后处理,将具有最大SSE值的簇划分成两个簇。将最大簇包含的点过滤出来并在这些点上运行k-均值算法。也可以将两个簇进行合并

3 二分K-均值算法

  • 二分K-均值算法能克服K-均值算法收敛于局部最小值的问题
    • 首先将所有点作为一个簇,然后将该簇一分为二
    • 选择其中一个簇继续划分,选择哪个取决于对其划分是否可以最大程度降低SSE(平方和误差)的值
    • 不断重复划分,直到用户指定的簇数目为止。
      伪代码:
将所有点看成一个簇
当簇数目小于k时
对于每一个簇
    计算总误差
    在给定的簇上面进行K-均值聚类(k=2)
    计算将该簇一分为二之后的总误差
选择使得误差最小的那个簇进行划分操作
  • 另一种做法是选择SSE 最大的簇进行划分,直到簇数目达到用户指定的数目位置。
    python代码
def bikmeans(dataSet, k, distMeas=distEclud):
    """
    二分K-均值聚类算法
    :param dataSet:数据集
    :param k:质心数量
    :param distMeas:距离计算方法,默认欧氏距离distEclud()
    :return:
    """
    numSamples = dataSet.shape[0]  # 获得数据集的样本数
    clusterAssment = np.mat(np.zeros((numSamples, 2)))  # 初始化一个元素值0的(numSamples,2)矩阵
    centroid0 = np.mean(dataSet, axis=0).tolist()[0]  # 列表中的第一个列表元素:即全部数据每个属性
    centList = [centroid0]  # 当前聚类列表为将数据集聚为一类
    for j in range(numSamples):  # 遍历每个数据集样本
        clusterAssment[j, 1] = (distMeas(np.mat(centroid0), dataSet[j, :])) ** 2  # 计算当前聚为一类时各个数据点距离质心的平方距离

    while len(centList) < k:  # 循环,直至二分k-均值达到k类为止
        lowestSSE = np.inf  # 将当前最小平方误差置为正无穷
        for i in range(len(centList)):  # 遍历当前每个聚类
            # 通过数组过滤筛选出属于第i类的数据集合
            ptsInCurrCluster = dataSet[np.nonzero(clusterAssment[:, 0].A == i)[0], :]
            # 对该类利用二分k-均值算法进行划分,返回划分后结果,及误差
            centroidMat, splitClusAss = kMeans(ptsInCurrCluster, 2, distMeas)
            sseSplit = sum(splitClusAss[:, 1])  # 计算该类划分后两个类的误差平方和
            # 计算数据集中不属于该类的数据的误差平方和
            sseNotSplit = sum(clusterAssment[np.nonzero(clusterAssment[:, 0].A != i)[0], 1])
            print("sseSplit,and notSplit:", sseSplit, sseNotSplit)
            if (sseSplit + sseNotSplit) < lowestSSE:  # 划分第i类后总误差小于当前最小总误差
                bestCentToSplit = i  # 第i类作为本次划分类
                bestNewCents = centroidMat  # 第i类划分后得到的两个质心向量
                bestClustAss = splitClusAss.copy()  # 复制第i类中数据点的聚类结果即误差值
                lowestSSE = sseSplit + sseNotSplit  # 将划分第i类后的总误差作为当前最小误差
        # 数组过滤筛选出本次2-均值聚类划分后类编号为1数据点,将这些数据点类编号变为当前类个数+1,作为新的一个聚类
        bestClustAss[np.nonzero(bestClustAss[:, 0].A == 1)[0], 0] = len(centList)
        # 同理,将划分数据集中类编号为0的数据点的类编号仍置为被划分的类编号,使类编号连续不出现空缺
        bestClustAss[np.nonzero(bestClustAss[:, 0].A == 0)[0], 0] = bestCentToSplit
        print("the bestCentToSplit is:", bestCentToSplit)
        print("the len of bestClustAss is :", len(bestClustAss))
        centList[bestCentToSplit] = bestNewCents[0, :].tolist()[0]  # 更新质心列表中的变化后的质心向量
        centList.append(bestNewCents[1, :].tolist()[0])  # 添加新的类的质心向量
        # 更新clusterAssment列表中参与2-均值聚类数据点变化后的分类编号,及数据该类的误差平方
        clusterAssment[np.nonzero(clusterAssment[:, 0].A == bestCentToSplit)[0], :] = bestClustAss
    return np.mat(centList), clusterAssment

4 示例:对地图上的点进行聚类

  • 使用Yahho!PlaceFinder API收集数据,将目标地点地址转换为经纬度,用matplotlib构建一个二维数据图,包含簇、位置和地图。
  • 将俄勒冈州的70个地点聚类,地址列表为portlandClubs.txt。可以在Yahoo开发者网络进行注册,创建一个桌面应用以获取appid。
  • 书上给出的yahooAPI的baseurl已经改变,并且yahoo目前placefinder需要OAuth2验证。
  • 直接使用places.txt,使用这些点聚类(下载地址)

python代码:

def distSLC(vecA, vecB):
    """
    球面距离计算及簇绘图函数
    :param vecA:
    :param vecB:
    :return:
    """
    a = np.sin(vecA[0, 1] * np.pi / 180) * np.sin(vecB[0, 1] * np.pi / 180)
    b = np.cos(vecA[0, 1] * np.pi / 180) * np.cos(vecB[0, 1] * np.pi / 180) * np.cos(
        np.pi * (vecB[0, 0] - vecA[0, 0]) / 180)
    return np.arccos(a + b) * 6371.0


def clusterClubs(numClust=5):
    """

    :param numClust:
    :return:
    """
    datList = []
    for line in open('places.txt').readlines():  # 解析文本数据中的每一行中的数据特征值
        lineArr = line.split('\t')
        datList.append(([float(lineArr[4]), float(lineArr[3])]))
    dataMat = np.mat(datList)
    # 利用2-均值聚类算法进行聚类
    myCentroids, clustAssing = bikmeans(dataMat, numClust, distMeas=distSLC)
    fig = plt.figure()
    rect = [0.1, 0.1, 0.8, 0.8]
    scatterMarkers = ['s', 'o', '^', '8', 'p', 'd', 'v', 'h', '>', '<']
    axprops = dict(xticks=[], yticks=[])
    ax0 = fig.add_axes(rect, label='ax0', **axprops)
    # imgP = plt.imread('portland.png')
    # ax0.imshow(imgP)
    ax1 = fig.add_axes(rect, label='ax1', frameon=False)
    for i in range(numClust):
        ptsInCurrCluster = dataMat[np.nonzero(clustAssing[:, 0].A == i)[0], :]
        markerStyle = scatterMarkers[i % len(scatterMarkers)]
        ax1.scatter(ptsInCurrCluster[:, 0].flatten().A[0], ptsInCurrCluster[:, 1].flatten().A[0],
                    marker=markerStyle, s=90)
    ax1.scatter(myCentroids[:, 0].flatten().A[0], myCentroids[:, 1].flatten().A[0], marker='+', s=300)
    plt.show()

5 总结

  • 无监督学习指事先不知道要寻找的内容,没有目标变量
  • 聚类将数据点归到多个簇中,可以使用多种方法计算相似度,实际使用时也应多次运行取较优结果。
  • K-均值算法是一种广泛使用的聚类算法,k是用户指定的要创建的簇的数目,该算法非常有效但容易受到初始簇质心的影响(k值选择不当,可能聚类效果不佳)。可以使用二分K-均值聚类算法获得更好的效果

6 补充

如何选择聚类个数?

  • k-means是以最小化样本与质点平方误差作为目标函数,将每个簇的质点与簇内样本点的平方距离误差和称为畸变程度(distortions),对于一个簇,它的畸变程度越低,代表簇内成员越紧密,畸变程度越高,代表簇内结构越松散。
    • 畸变程度会随着类别的增加而降低,但对于有一定区分度的数据,在达到某个临界点时畸变程度会得到极大改善,之后缓慢下降,这个临界点就可以考虑为聚类性能较好的点(肘部法则elbow method)

该方法十分直观,但很难用数学公式量化,随意性较大学术界提出了一种数学上更为严谨的方法决定聚类个数:轮廓分析silhoutte analysis(定量分析聚类质量)

  • 应用示例

    • 异常检测
      • 明显有别于正常数据的异常值的发现(反欺诈、网络安全)
      • 缺少标签变量、不知道其特征 → \rightarrow 聚类分析(非监督学习、适于没有标签、聚类中心也反映了相应类别的主要特征:聚类中心的距离反应两个类别的整体差异)
    • 图片压缩
      • 图像处理中,常用k-means聚类中心替代原始像素点(保留了图片主要特征、也有效进行了压缩 → \rightarrow 即向量量化)
  • 凝聚聚类:许多基于相同原则构建的聚类算法。

    • 算法首先声明每个点是自己的簇,然后合并两个最相似的簇,直到满
      足某种停止准则为止 → \rightarrow 合并相似的簇,直到仅剩下指定个数的簇
    • 链接准则:规定如何度量最相似的簇
  • 由于算法的工作原理,凝聚算法不能对新数据点做出预测

  • 层次聚类与树状图:

    • 凝聚聚类生成了所谓的层次聚类(hierarchical clustering)
    • 聚类过程迭代进行,每个点都从一个单点簇变为属于最终的某个簇。每个中间步骤都提供了数据的一种聚类(簇的个数也不相同)。
    • 例:图中的叠加显示了图中所有可能的聚类,有助于深入了解每个簇如何分解为较小的簇
      机器学习实战——K均值_第1张图片
    • 但它依赖于数据的二维性质,因此不能用于具有两个以上特征的数据集 → \rightarrow 另一个将层次聚类可视化的工具,叫作树状图(dendrogram),它可以处理多维数据集

DBSCAN

  • Kmeans无法识别具有复杂形状的簇(two_moons数据集:两个半月形)
  • 另一个非常有用的聚类算法:DBSCAN
    • 优点:不需要用户先验的设置簇的个数、可划分复杂形状的簇还可以找出不属于任何簇的点
    • 缺点:比凝聚聚类和kmeans稍慢但仍可以和扩展到相对较大数据集
  • 原理:识别特征空间的“拥挤”区域的点 → \rightarrow 密集区域
    • 簇形成数据的密集区域,并由相对较空区域分隔开

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