模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)

文章目录

  • 模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)
    • 1. 思想
    • 2. 说明
    • 3. 推导
      • 3.1 初始条件
      • 3.2 目标函数
      • 3.3 最优化求解
      • 3.4 问题解决
    • 4. 实现
      • 4.1 代码
      • 4.2 结果

模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)

1. 思想

  • 簇内距离尽量小(*)
  • 簇间距离尽量大

2. 说明

  • 某种程度上类似于 LDA 的思想,但他们间有明显差距,LDA是属于监督学习下的降维操作,而该聚类基于非监督;

  • 过程跟k-means聚类类似,区别在于FCM计算了(中心)点到所有数据点的距离,增加了隶属于某一簇的概率值(隶属值),还有属于某一簇的重视程度 m ( > 1 \gt 1 >1)

3. 推导

3.1 初始条件

假设有N个原始数据点 X = ( x 1 , x 2 , ⋯   , x N ) X = (x_1, x_2, \cdots, x_N) X=(x1,x2,,xN) ,设定有 L 个簇,初始簇心手动设定 C = ( c 1 , c 2 , ⋯   , c l ) C=(c_1, c_2, \cdots, c_l) C=(c1,c2,,cl)

示意图如下(L=3时)

模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)_第1张图片

3.2 目标函数

计算每个数据点到簇心的距离(以到第一个簇心 c 1 c_1 c1为例)
d 1 = ∣ ∣ x 1 − c 1 ∣ ∣ 2 + ∣ ∣ x 2 − c 1 ∣ ∣ 2 + ⋯ + ∣ ∣ x N − c 1 ∣ ∣ 2 d_1 = ||x_1-c_1||^2+||x_2-c_1||^2+\cdots+||x_N-c_1||^2 d1=x1c12+x2c12++xNc12
为了表征一点到不同簇心的隶属程度,设定这些点到某一簇心的概率(隶属值,Membership values)为 u k i u_{ki} uki,该值表示第 i 点到第 k 个簇心的隶属值。点与簇心距离越大,该值越小。对于同一点来说,有
u 1 i + u 2 i + ⋯ + u L i = 1 u_{1i} + u_{2i} + \cdots + u_{Li} = 1 u1i+u2i++uLi=1
即,同一点到所有簇心隶属值和为 1

同时为了表示该点实实在在属于某一类,如图中右侧数据的某点属于 蓝色x 的重要程度更高,引入另一个参数:模糊系数(Fuzzifier) m

关于引入了隶属值 u k i u_{ki} uki 后为什么还要引入模糊系数m?

那么加权后,每个数据点到簇心 c 1 c_1 c1 的距离和为
d 1 ′ = u 11 m ∣ ∣ x 1 − c 1 ∣ ∣ 2 + u 12 m ∣ ∣ x 2 − c 1 ∣ ∣ 2 + ⋯ + u 1 N m ∣ ∣ x N − c 1 ∣ ∣ 2 = ∑ i = 1 N u 1 i m ∣ ∣ x i − c 1 ∣ ∣ 2 \begin{aligned} d'_1 &= u_{11}^m||x_1-c_1||^2 + u_{12}^m||x_2-c_1||^2 + \cdots + u_{1N}^m||x_N-c_1||^2 \\ &= \sum\limits_{i=1}^N u_{1i}^m||x_i-c_1||^2 \end{aligned} d1=u11mx1c12+u12mx2c12++u1NmxNc12=i=1Nu1imxic12
对于所有点到所有簇心距离和为
D = ∑ k = 1 L ∑ i = 1 N u k i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 D = \sum\limits_{k=1}^L \sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m||x_i-c_k||^2 D=k=1Li=1Nukimxick2
该方程就是目标函数,优化方法是最小化该函数
M i n     J ( u k i , c k ) = ∑ k = 1 L ∑ i = 1 N u k i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 s . t    ∑ k = 1 L u k i = 1 ,    i = 1 , 2 , ⋯   , N (1*) \begin{aligned}Min\ \ \ J(u_{ki}, c_k) &= \sum\limits_{k=1}^L \sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m||x_i-c_k||^2 \\s.t\ \ \sum\limits_{k=1}^L u_{ki} &= 1,\ \ i = 1,2,\cdots,N\end{aligned}\tag{1*} Min   J(uki,ck)s.t  k=1Luki=k=1Li=1Nukimxick2=1,  i=1,2,,N(1*)

  • c k c_k ck 给定时 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ||x_i-c_k||^2 xick2 为定值(假设为 d k i d_{ki} dki),因此也即是最小化
    M i n    J ( u k i ) = ∑ k = 1 L ∑ i = 1 N u k i m > d k i Min\ \ J(u_{ki}) = \sum\limits_{k=1}^L\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m > d_{ki} Min  J(uki)=k=1Li=1Nukim>dki
    此时只与 u k i u_{ki} uki 相关。

  • 若隶属值 u k i u_{ki} uki 已知,同样可以得到
    M i n    J ( c k ) = ∑ k = 1 L ∑ i = 1 N u k i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 Min\ \ J(c_k) = \sum\limits_{k=1}^L \sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m||x_i-c_k||^2 Min  J(ck)=k=1Li=1Nukimxick2
    此时只与 c k c_k ck 相关。

3.3 最优化求解

推导过程

对于方程(1*)构造拉格朗日函数
L ( u k i , c k ) = ∑ k = 1 L ∑ i = 1 N u k i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 − ∑ i = 1 N λ i ( ∑ k = 1 L u k i − 1 ) L(u_{ki},c_k) = \sum\limits_{k=1}^L \sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m||x_i-c_k||^2 - \sum\limits_{i=1}^N \lambda_i(\sum\limits_{k=1}^L u_{ki}-1) L(uki,ck)=k=1Li=1Nukimxick2i=1Nλi(k=1Luki1)
极小值求解 (展开求导)

  • u k i u_{ki} uki

∂ L ∂ u k i = 0 ⇒    m u k i m − 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 − λ i = 0 ⇒    u k i = ( λ i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ) 1 m − 1 (*1) \begin{aligned}&\frac{\partial L}{\partial u_{ki}} = 0 \\\Rightarrow \ \ &mu_{ki}^{m-1}||x_i - c_k||^2 - \lambda_i = 0 \\\Rightarrow \ \ &u_{ki} = (\frac{\lambda_i}{m||x_i-c_k||^2})^{\frac{1}{m-1}} \\\end{aligned}\tag{*1}     ukiL=0mukim1xick2λi=0uki=(mxick2λi)m11(*1)

  • λ i \lambda_i λi

∂ L ∂ λ i = 0    ⇒ ∑ k = 1 L u k i − 1 = 0    ⇒ ∑ k = 1 L u k i = 1 (*2) \begin{aligned}&\frac{\partial L}{\partial \lambda_i} = 0 \\\ \ \Rightarrow & \sum\limits_{k=1}^L u_{ki} -1=0 \\\ \ \Rightarrow & \sum\limits_{k=1}^L u_{ki} = 1\end{aligned}\tag{*2}     λiL=0k=1Luki1=0k=1Luki=1(*2)

联立(*1)和(*2),消去 λ i \lambda_i λi
∑ k = 1 L ( λ i m ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ) 1 m − 1 = 1 ( λ i m ) 1 m − 1 ∑ k = 1 L 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 m − 1 = 1 ( λ i m ) 1 m − 1 = 1 ∑ k = 1 L 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 m − 1 带 入 到 ( ∗ 1 ) ⇒ u k i = 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 m − 1 ∑ k = 1 L 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 m − 1 = 1 ∑ l = 1 L ( ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ ∣ ∣ x i − c l ∣ ∣ ) 2 m − 1 (*3) \begin{aligned}&\sum\limits_{k=1}^L (\frac{\lambda_i}{m||x_i-c_k||^2})^{\frac{1}{m-1}} = 1 \\ \\&(\frac{\lambda_i}{m})^{\frac{1}{m-1}} \sum\limits_{k=1}^L \frac{1}{||x_i-c_k||^{\frac{2}{m-1}}} = 1\\ \\&(\frac{\lambda_i}{m})^{\frac{1}{m-1}} = \frac{1}{\sum\limits_{k=1}^L \frac{1}{||x_i-c_k||^{\frac{2}{m-1}}}} \\ \\带入到(*1)&\Rightarrow u_{ki} = \frac{\frac{1}{||x_i-c_k||^{\frac{2}{m-1}}}}{\sum\limits_{k=1}^L \frac{1}{||x_i-c_k||^{\frac{2}{m-1}}}} = \frac{1}{\sum\limits_{l=1}^L (\frac{||x_i-c_k||}{||x_i-c_l||})^{\frac{2}{m-1}}}\end{aligned}\tag{*3} 1k=1L(mxick2λi)m11=1(mλi)m11k=1Lxickm121=1(mλi)m11=k=1Lxickm1211uki=k=1Lxickm121xickm121=l=1L(xiclxick)m121(*3)

  • c k c_k ck

∂ L ∂ c k = 0    ⇒ ∑ i = 1 N u k i m ( − 2 ) ( x i − c k ) = 0    ⇒ ∑ i = 1 N u k i m x i = ∑ i = 1 N u k i m c k    ⇒ c k = ∑ i = 1 N u k i m x i ∑ i = 1 N u k i m (*4) \begin{aligned}&\frac{\partial L}{\partial c_k} = 0 \\\ \ \Rightarrow &\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m (-2)(x_i-c_k) = 0 \\\ \ \Rightarrow &\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m x_i = \sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m c_k \\\ \ \Rightarrow &c_k = \frac{\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m x_i }{\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}^m}\end{aligned}\tag{*4}       ckL=0i=1Nukim(2)(xick)=0i=1Nukimxi=i=1Nukimckck=i=1Nukimi=1Nukimxi(*4)

分析理解

主要得到两个方程(*3)和(*4),为方便理解,先不考虑模糊值 m ,此时有
u k i = 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ∑ k = 1 L 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 (2*) u_{ki} =\frac{\frac{1}{||x_i-c_k||^{2}}}{\sum\limits_{k=1}^L \frac{1}{||x_i-c_k||^{2}}}\\\tag{2*} uki=k=1Lxick21xick21(2*)

c k = ∑ i = 1 N u k i x i ∑ i = 1 N u k i (3*) c_k = \frac{\sum\limits_{i=1}^N u_{ki} x_i }{\sum\limits_{i=1}^N u_{ki}}\tag{3*} ck=i=1Nukii=1Nukixi(3*)

对于(2*), u k i u_{ki} uki 表示第 i 点隶属于 k 簇的概率值,且点到 k 簇的距离越大,该值越小,反之,越大,呈现负相关关系。而点到簇的距离为 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ||x_i - c_k||^2 xick2 ,为了表示上述的负相关关系,可以使用该值的倒数,即 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 \frac{1}{||x_i-c_k||^2} xick21 ,而为了保证点到所有簇隶属值 u 的和为 1 ,分母除以该点到所有簇的总和,也即
u k i = 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 ∑ k = 1 L 1 ∣ ∣ x i − c k ∣ ∣ 2 u_{ki} =\frac{\frac{1}{||x_i-c_k||^{2}}}{\sum\limits_{k=1}^L \frac{1}{||x_i-c_k||^{2}}} uki=k=1Lxick21xick21
同理, c k c_k ck 表示簇中心,(3*)可类比于质心求解公式。

3.4 问题解决

因此,对于上述问题,有两个步骤

  • c k c_k ck 给定情况下,可求解出 u k i u_{ki} uki
  • u k i u_{ki} uki 给定情况下,可求解出 c k c_k ck

这是一个循环过程,类比于 k-means 。用图示表示为

模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)_第2张图片

4. 实现

4.1 代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import imageio

class FCM:
    def __init__(self, data, m, c):
        self.data = data # 原始数据
        self.c = c  # 起始簇
        self.it = 0 # 迭代次数
        self.m = m  # 模糊值

        self.N = len(self.data) # 原始数据个数
        self.L = len(self.c)    # 簇数
        self.n = len(self.data[0])  # 数据维度
        self.U = np.zeros((self.N, self.L)) # 隶属值

        self.clusterIni(0)

    def clusterIni(self, sig):
        self.cluster = {}   # 聚类
        for i in range(self.L):
            if i==0 and sig==0:
                self.cluster[i] = data
            else:
                self.cluster[i] = []


    def getU(self):
        # 计算u矩阵
        for _i,i in enumerate(self.data):
            for _k,k in enumerate(self.c):
                d = 0
                for n in range(self.n):
                    d = d + (i[n]-k[n])**2
                self.U[_i,_k] = np.power(1/d, 1/(self.m-1))
        
        # 标记原始数据点隶属的簇类
        cluster = []
        for _u,u in enumerate(self.U):
            s = np.sum(u)
            for _l in range(self.L):
               self.U[_u,_l] = self.U[_u,_l]/s

            cluster.append(np.argmax(u))
        
        # 记录簇数据
        self.clusterIni(1)
        for ind,dat in enumerate(self.data):
            self.cluster[cluster[ind]].append(dat)


    def getC(self):
        # 重新计算簇心c
        c = []
        for l in range(self.L):
            s1 = []
            for n in range(self.n):
                s1.append(0)
            s2 = 0
            for _i,i in enumerate(self.data):
                u = self.U[_i,l]
                for n in range(self.n):
                    s1[n] = s1[n] + np.power(u, self.m) * i[n]
                s2 = s2 + np.power(u, self.m)
            l = []
            for n in range(self.n):
                l.append(s1[n]/s2)
            c.append(l)

        # 判断是否已经收敛
        if self.c == c:
            return 0
        else:
            self.c = c
            return 1

    # 迭代
    def iter(self, it):
        for i in range(it):
            self.getU()
            b = self.getC()
            self.it = self.it + 1
            self.plot(1)
            if not b:
                print("总共迭代%d次"%(self.it-1))
                break

    def plot(self, isSave = 0):
        # 显示簇
        for c in self.cluster:
            if(self.cluster[c] == []):
                continue
            x = np.array(self.cluster[c])[:,0]
            y = np.array(self.cluster[c])[:,1]
            plt.scatter(x, y)

        # 显示中心点
        mx = np.array(self.c)[:,0]
        my = np.array(self.c)[:,1]
        plt.scatter(mx, my, marker='x', color='black')

        plt.title("After %d iterator"%self.it)
        if isSave:
            plt.savefig("./FCM/%d.png"%self.it)
        plt.show()


if __name__ == '__main__':
    # 原始数据
    f = open('./clusterData.txt', 'r')
    data = []
    for _d in f:
        dat = _d.rstrip().split(' ')
        data.append([float(dat[0]), float(dat[1])])
    f.close()
    c = [[3,3],[6,5],[10,1]]

    # FCM
    obj = FCM(data, 3, c)
    obj.iter(10)

    # 可视化
    inp = []
    for i in range(obj.it):
        inp.append(imageio.imread('./FCM/%d.png'%(i+1)))
    outp = './FCM/fcm.gif'
    imageio.mimsave(outp, inp, duration=1)

4.2 结果

模糊C聚类(Fuzzy C-means Clustering, FCM)_第3张图片

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