K-means也是聚类算法中最简单的一种了，但是里面包含的思想却是不一般。最早我使用并实现这个算法是在学习韩爷爷那本数据挖掘的书中，那本书比较注重应用。看了Andrew Ng的这个讲义后才有些明白K-means后面包含的EM思想。
聚类属于无监督学习，以往的回归、朴素贝叶斯、SVM等都是有类别标签y的，也就是说样例中已经给出了样例的分类。而聚类的样本中却没有给定y，只有特征x，比如假设宇宙中的星星可以表示成三维空间中的点集。聚类的目的是找到每个样本x潜在的类别y，并将同类别y的样本x放在一起。比如上面的星星，聚类后结果是一个个星团，星团里面的点相互距离比较近，星团间的星星距离就比较远了。
在聚类问题中，给我们的训练样本是，每个，没有了y。
K-means算法是将样本聚类成k个簇（cluster），具体算法描述如下：
1、 随机选取k个聚类质心点（cluster centroids）为。
2、 重复下面过程直到收敛 {
对于每一个样例i，计算其应该属于的类
对于每一个类j，重新计算该类的质心
}
K是我们事先给定的聚类数，代表样例i与k个类中距离最近的那个类，的值是1到k中的一个。质心代表我们对属于同一个类的样本中心点的猜测，拿星团模型来解释就是要将所有的星星聚成k个星团，首先随机选取k个宇宙中的点（或者k个星星）作为k个星团的质心，然后第一步对于每一个星星计算其到k个质心中每一个的距离，然后选取距离最近的那个星团作为，这样经过第一步每一个星星都有了所属的星团；第二步对于每一个星团，重新计算它的质心（对里面所有的星星坐标求平均）。重复迭代第一步和第二步直到质心不变或者变化很小。
下图展示了对n个样本点进行K-means聚类的效果，这里k取2。
K-means面对的第一个问题是如何保证收敛，前面的算法中强调结束条件就是收敛，可以证明的是K-means完全可以保证收敛性。下面我们定性的描述一下收敛性，我们定义畸变函数（distortion function）如下：
J函数表示每个样本点到其质心的距离平方和。K-means是要将J调整到最小。假设当前J没有达到最小值，那么首先可以固定每个类的质心，调整每个样例的所属的类别来让J函数减少，同样，固定，调整每个类的质心也可以使J减小。这两个过程就是内循环中使J单调递减的过程。当J递减到最小时，和c也同时收敛。（在理论上，可以有多组不同的和c值能够使得J取得最小值，但这种现象实际上很少见）。
由于畸变函数J是非凸函数，意味着我们不能保证取得的最小值是全局最小值，也就是说k-means对质心初始位置的选取比较感冒，但一般情况下k-means达到的局部最优已经满足需求。但如果你怕陷入局部最优，那么可以选取不同的初始值跑多遍k-means，然后取其中最小的J对应的和c输出。
下面累述一下K-means与EM的关系，首先回到初始问题，我们目的是将样本分成k个类，其实说白了就是求每个样例x的隐含类别y，然后利用隐含类别将x归类。由于我们事先不知道类别y，那么我们首先可以对每个样例假定一个y吧，但是怎么知道假定的对不对呢？怎么评价假定的好不好呢？我们使用样本的极大似然估计来度量，这里是就是x和y的联合分布P(x,y)了。如果找到的y能够使P(x,y)最大，那么我们找到的y就是样例x的最佳类别了，x顺手就聚类了。但是我们第一次指定的y不一定会让P(x,y)最大，而且P(x,y)还依赖于其他未知参数，当然在给定y的情况下，我们可以调整其他参数让P(x,y)最大。但是调整完参数后，我们发现有更好的y可以指定，那么我们重新指定y，然后再计算P(x,y)最大时的参数，反复迭代直至没有更好的y可以指定。
这个过程有几个难点，第一怎么假定y？是每个样例硬指派一个y还是不同的y有不同的概率，概率如何度量。第二如何估计P(x,y)，P(x,y)还可能依赖很多其他参数，如何调整里面的参数让P(x,y)最大。这些问题在以后的篇章里回答。
这里只是指出EM的思想，E步就是估计隐含类别y的期望值，M步调整其他参数使得在给定类别y的情况下，极大似然估计P(x,y)能够达到极大值。然后在其他参数确定的情况下，重新估计y，周而复始，直至收敛。
上面的阐述有点费解，对应于K-means来说就是我们一开始不知道每个样例对应隐含变量也就是最佳类别。最开始可以随便指定一个给它，然后为了让P(x,y)最大（这里是要让J最小），我们求出在给定c情况下，J最小时的（前面提到的其他未知参数），然而此时发现，可以有更好的（质心与样例距离最小的类别）指定给样例，那么得到重新调整，上述过程就开始重复了，直到没有更好的指定。这样从K-means里我们可以看出它其实就是EM的体现，E步是确定隐含类别变量，M步更新其他参数来使J最小化。这里的隐含类别变量指定方法比较特殊，属于硬指定，从k个类别中硬选出一个给样例，而不是对每个类别赋予不同的概率。总体思想还是一个迭代优化过程，有目标函数，也有参数变量，只是多了个隐含变量，确定其他参数估计隐含变量，再确定隐含变量估计其他参数，直至目标函数最优。
K-means算法步骤详解
协同过滤推荐算法是诞生最早，并且较为著名的推荐算法。主要的功能是预测和推荐。算法通过对用户历史行为数据的挖掘发现用户的偏好，基于不同的偏好对用户进行群组划分并推荐品味相似的商品。协同过滤推荐算法分为两类，分别是基于用户的协同过滤算法(user-based collaboratIve filtering)，和基于物品的协同过滤算法(item-based collaborative filtering)。简单的说就是：物以类聚，物以群分。下面我们将分别说明这两类推荐算法的原理和实现方法。
推荐算法的分类
下面是我们基于领域的方法分类：
1.基于用户的协同过滤算法(user-based collaboratIve filtering)
基于用户的协同过滤算法是通过用户的历史行为数据发现用户对商品或内容的喜欢(如商品购买，收藏，内容评论或分享)，并对这些喜好进行度量和打分。根据不同用户对相同商品或内容的态度和偏好程度计算用户之间的关系。在有相同喜好的用户间进行商品推荐。简单的说就是如果A,B两个用户都购买了x,y,z三本图书，并且给出了5星的好评。那么A和B就属于同一类用户。可以将A看过的图书w也推荐给用户B。
1.寻找偏好相似的用户
我们模拟了5个用户对两件商品的评分，来说明如何通过用户对不同商品的态度和偏好寻找相似的用户。在示例中，5个用户分别对两件商品进行了评分。这里的分值可能表示真实的购买，也可以是用户对商品不同行为的量化指标。例如，浏览商品的次数，向朋友推荐商品，收藏，分享，或评论等等。这些行为都可以表示用户对商品的态度和偏好程度。
从表格中很难直观发现5个用户间的联系，我们将5个用户对两件商品的评分用散点图表示出来后，用户间的关系就很容易发现了。在散点图中，Y轴是商品1的评分，X轴是商品2的评分，通过用户的分布情况可以发现，A,C,D三个用户距离较近。用户A(3.3 6.5)和用户C(3.6 6.3)，用户D(3.4 5.8)对两件商品的评分较为接近。而用户E和用户B则形成了另一个群体。
散点图虽然直观，但无法投入实际的应用，也不能准确的度量用户间的关系。因此我们需要通过数字对用户的关系进行准确的度量，并依据这些关系完成商品的推荐。
评价方式：
1.2欧几里德距离评价
欧几里德距离（两点间的距离公式）评价是一个较为简单的用户关系评价方法。原理是通过计算两个用户在散点图中的距离来判断不同的用户是否有相同的偏好。以下是欧几里德距离评价的计算公式。
通过公式我们获得了5个用户相互间的欧几里德系数，也就是用户间的距离。系数越小表示两个用户间的距离越近，偏好也越是接近。不过这里有个问题，太小的数值可能无法准确的表现出不同用户间距离的差异，因此我们对求得的系数取倒数，使用户间的距离约接近，数值越大。在下面的表格中，可以发现，用户A&C用户A&D和用户C&D距离较近。同时用户B&E的距离也较为接近。与我们前面在散点图中看到的情况一致。
1.3皮尔逊相关度评价
x,y分别代表两个用户
皮尔逊相关度评价是另一种计算用户间关系的方法。他比欧几里德距离评价的计算要复杂一些，但对于评分数据不规范时皮尔逊相关度评价能够给出更好的结果。以下是一个多用户对多个商品进行评分的示例。这个示例比之前的两个商品的情况要复杂一些，但也更接近真实的情况。我们通过皮尔逊相关度评价对用户进行分组，并推荐商品。
皮尔逊相关系数
如下，结果是一个在-1与1之间的系数。该系数用来说明两个用户间联系的强弱程度。
*相关系数的分类*
*0.8-1.0 极强相关**0.6-0.8 强相关**0.4-0.6 中等程度相关**
0.2-0.4 弱相关**0.0-0.2 极弱相关或无相关* 通过计算5个用户对5件商品的评分我们获得了用户间的相似度数据。这里可以看到用户A&B，C&D，C&E和D&E之间相似度较高。下一步，我们可以依照相似度对用户进行商品推荐。
2,为相似的用户提供推荐物品
为用户C推荐商品
当我们需要对用户C推荐商品时，首先我们检查之前的相似度列表，发现用户C和用户D和E的相似度较高。换句话说这三个用户是一个群体，拥有相同的偏好。因此，我们可以对用户C推荐D和E的商品。但这里有一个问题。我们不能直接推荐前面商品1-商品5的商品。因为这这些商品用户C以及浏览或者购买过了。不能重复推荐。因此我们要推荐用户C还没有浏览或购买过的商品。
加权排序推荐（如何加权排序）
我们提取了用户D和用户E评价过的另外5件商品A—商品F的商品。并对不同商品的评分进行相似度加权。按加权后的结果对5件商品进行排序，然后推荐给用户C。这样，用户C就获得了与他偏好相似的用户D和E评价的商品。而在具体的推荐顺序和展示上我们依照用户D和用户E与用户C的相似度进行排序。
以上是基于用户的协同过滤算法。这个算法依靠用户的历史行为数据来计算相关度。也就是说必须要有一定的数据积累(冷启动问题)。对于新网站或数据量较少的网站，还有一种方法是基于物品的协同过滤算法。
2.基于项目的协同过滤
UerCF：
基于用户对物品的偏好，然后将相似度比较高的用户的商品推荐给研究的用户
基于物品的协同过滤算法ItemCF：
喜欢A商品的用户与喜欢C商品的用户很相似，我可以把没有C商品而有A商品的用户推荐给他C商品
2.1 栗子
基于物品的协同过滤算法与基于用户的协同过滤算法很像，将商品和用户互换。通过计算不同用户对不同物品的评分获得物品间的关系。基于物品间的关系对用户进行相似物品的推荐。这里的评分代表用户对商品的态度和偏好。简单来说就是如果用户A同时购买了商品1和商品2，那么说明商品1和商品2的相关度较高。当用户B也购买了商品1时，可以推断他也有购买商品2的需求。
1.寻找相似的物品
表格中是两个用户对5件商品的评分。在这个表格中我们用户和商品的位置进行了互换，通过两个用户的评分来获得5件商品之间的相似度情况。单从表格中我们依然很难发现其中的联系，因此我们选择通过散点图进行展示。
在散点图中，X轴和Y轴分别是两个用户的评分。5件商品按照所获的评分值分布在散点图中。我们可以发现，商品1,3,4在用户A和B中有着近似的评分，说明这三件商品的相关度较高。而商品5和2则在另一个群体中。
2.1.2评价方式：（部分）
欧几里德距离评价
在基于物品的协同过滤算法中，我们依然可以使用欧几里德距离评价来计算不同商品间的距离和关系。以下是计算公式。
通过欧几里德系数可以发现，商品间的距离和关系与前面散点图中的表现一致，商品1,3,4距离较近关系密切。商品2和商品5距离较近。
皮尔逊相关度评价
我们选择使用皮尔逊相关度评价来计算多用户与多商品的关系计算。下面是5个用户对5件商品的评分表。我们通过这些评分计算出商品间的相关度。
皮尔逊相关度计算公式
通过计算可以发现，商品1&2，商品3&4，商品3&5和商品4&5相似度较高。下一步我们可以依据这些商品间的相关度对用户进行商品推荐。
2,为用户提供基于相似物品的推荐
这里我们遇到了和基于用户进行商品推荐相同的问题，当需要对用户C基于商品3推荐商品时，需要一张新的商品与已有商品间的相似度列表。在前面的相似度计算中，商品3与商品4和商品5相似度较高，因此我们计算并获得了商品4,5与其他商品的相似度列表。
以下是通过计算获得的新商品与已有商品间的相似度数据。
加权排序推荐
这里是用户C已经购买过的商品4,5与新商品A,B,C直接的相似程度。我们将用户C对商品4,5的评分作为权重。对商品A,B,C进行加权排序。用户C评分较高并且与之相似度较高的商品被优先推荐。
本文改编于https://blog.csdn.net/yimingsilence/article/details/54934302 （作者：默一鸣 ）
2.2计算公式总结：
一，皮尔逊相似度
公式优点：能够解决分数贬值的问题
公式缺点：数据稀疏的情况下，造成计算精度下降
二，斯皮尔曼相似度
此公式不关注数值的具体大小，只关注（x,y) 排序后y与x具体的名次的差值，差值为di n为样本数量
带入公式，求得斯皮尔曼相关性系数：ρs= 1-6(1+1+1+9)/635=0.657
三，肯德尔相关系数
有点复杂后续在学吧（https://www.jianshu.com/p/93fd5ab408ae）
优点：可以计算出不同用户对项目评分的一致性程度。（同增或同减）
缺点：在稀疏矩阵中，由于拥有共同评分项较少，导致性能下降。
四,jaccard相似度计算
五，余弦相似度计算
公式四，五利用方法，详细看 ItemCF 与UserCF 区别