用DBSCAN和层次聚类分析各个省份人口出生率与死亡率关系

Kmeans聚类两个缺陷：
1.对异常值敏感，容易受到异常样本点的影响，因为中心点是通过样本均值确定的
2.不适合发现非球形的簇，即无法准确将非球形样本进行合理聚类，因为是基于距离确定样本之间的相似度

此处介绍另一种聚类算法，基于密度的聚类(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise，具有噪声的基于密度的聚类方法)。
这类密度聚类算法一般假定类别可以通过样本分布的紧密程度决定。同一类别的样本，他们之间的紧密相连的，也就是说，在该类别任意样本周围不远处一定有同类别的样本存在。
参数(ϵ, MinPts)用来描述邻域的样本分布紧密程度。其中，半径ϵ描述了某一样本的邻域距离阈值，对应领域内最少的样本数量MinPts描述了某一样本的距离为ϵϵ的邻域中样本个数的阈值。
可以非常方便发现样本中的异常点。
综上，可以发现任何形状的样本簇，而且该算法具有很强的抗噪声能力。
具体过程类似“贪吃蛇”，从某个点出发，不停向外扩张，直到获得一个最大的密度相连，进而得到一个样本簇，样本簇以外的即为异常值。
当为球形样本时，效果同Kmeans聚类。

还有一种聚类方法：层次聚类，层次的方法（Hierarchical Method）则是指依次让最相似的数据对象两两合并，这样不断地合并，最后就形成了一棵聚类树。
比较适合小样本的聚类，通过计算各个簇内样本点之间的相似度，进而构建一棵有层次的嵌套聚类树，与kmeans一样，不适合非球形样本的聚类。
聚类树又分为按照凝聚过程和分裂过程，这里只介绍基于凝聚树，点与点的相似性仍通过欧氏或者曼哈顿距离，而簇与簇之间距离通过最小距离法（所有簇间样本点距离的最小值）、最大距离法（最大值）、平均距离法（平均值）。

一、密度聚类与kmeans的比较

1.对于球形样本

# 导入第三方模块
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.datasets.samples_generator import make_blobs
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn import cluster

# 模拟数据集
X,y = make_blobs(n_samples = 2000, centers = [[-1,-2],[1,3]], cluster_std = [0.5,0.5], random_state = 1234)
# 将模拟得到的数组转换为数据框，用于绘图
plot_data = pd.DataFrame(np.column_stack((X,y)), columns = ['x1','x2','y'])
# 设置绘图风格
plt.style.use('ggplot')
# 绘制散点图（用不同的形状代表不同的簇）
sns.lmplot('x1', 'x2', data = plot_data, hue = 'y',markers = ['^','o'],
           fit_reg = False, legend = False)
# 显示图形
plt.show()

# 导入第三方模块
from sklearn import cluster
# 构建Kmeans聚类和密度聚类
kmeans = cluster.KMeans(n_clusters=2, random_state=1234)
kmeans.fit(X)
dbscan = cluster.DBSCAN(eps = 0.5, min_samples = 10)
dbscan.fit(X)
# 将Kmeans聚类和密度聚类的簇标签添加到数据框中
plot_data['kmeans_label'] = kmeans.labels_
plot_data['dbscan_label'] = dbscan.labels_

# 绘制聚类效果图
# 设置大图框的长和高
plt.figure(figsize = (12,6))
# 设置第一个子图的布局
ax1 = plt.subplot2grid(shape = (1,2), loc = (0,0))
# 绘制散点图
ax1.scatter(plot_data.x1, plot_data.x2, c = plot_data.kmeans_label)
# 设置第二个子图的布局
ax2 = plt.subplot2grid(shape = (1,2), loc = (0,1))
# 绘制散点图(为了使Kmeans聚类和密度聚类的效果图颜色一致，通过序列的map“方法”对颜色作重映射)
ax2.scatter(plot_data.x1, plot_data.x2, c=plot_data.dbscan_label.map({-1:1,0:2,1:0}))
# 显示图形
plt.show()

eps为半径，min_samples为最小样本量

image.png

左边为Kmeans聚类，右边为密度聚类，而且密度聚类发现了一个异常点

2.对于非球形样本

样本仍然采用随机抽样

# 导入第三方模块
from sklearn.datasets.samples_generator import make_moons
# 构造非球形样本点
X1,y1 = make_moons(n_samples=2000, noise = 0.05, random_state = 1234)
# 构造球形样本点
X2,y2 = make_blobs(n_samples=1000, centers = [[3,3]], cluster_std = 0.5, random_state = 1234)
# 将y2的值替换为2(为了避免与y1的值冲突，因为原始y1和y2中都有0这个值)
y2 = np.where(y2 == 0,2,0)
# 将模拟得到的数组转换为数据框，用于绘图
plot_data = pd.DataFrame(np.row_stack([np.column_stack((X1,y1)),np.column_stack((X2,y2))]), columns = ['x1','x2','y'])

# 绘制散点图（用不同的形状代表不同的簇）
sns.lmplot('x1', 'x2', data = plot_data, hue = 'y',markers = ['^','o','>'],
           fit_reg = False, legend = False)
# 显示图形
plt.show()

构造了3个簇的样本点

# 构建Kmeans聚类和密度聚类
kmeans = cluster.KMeans(n_clusters=3, random_state=1234)
kmeans.fit(plot_data[['x1','x2']])
dbscan = cluster.DBSCAN(eps = 0.3, min_samples = 5)
dbscan.fit(plot_data[['x1','x2']])
# 将Kmeans聚类和密度聚类的簇标签添加到数据框中
plot_data['kmeans_label'] = kmeans.labels_
plot_data['dbscan_label'] = dbscan.labels_

# 绘制聚类效果图
# 设置大图框的长和高
plt.figure(figsize = (12,6))
# 设置第一个子图的布局
ax1 = plt.subplot2grid(shape = (1,2), loc = (0,0))
# 绘制散点图
ax1.scatter(plot_data.x1, plot_data.x2, c = plot_data.kmeans_label)
# 设置第二个子图的布局
ax2 = plt.subplot2grid(shape = (1,2), loc = (0,1))
# 绘制散点图(为了使Kmeans聚类和密度聚类的效果图颜色一致，通过序列的map“方法”对颜色作重映射)
ax2.scatter(plot_data.x1, plot_data.x2, c=plot_data.dbscan_label.map({-1:1,0:0,1:3,2:2}))
# 显示图形
plt.show()

左边为Kmeans聚类，右边为密度聚类，而Kmeans聚类对于非球形簇聚类效果不理想，并且密度聚类再次标记出了4个异常点

二、三种层次聚类的比较

# 构造两个球形簇的数据样本点
X,y = make_blobs(n_samples = 2000, centers = [[-1,0],[1,0.5]], cluster_std = [0.2,0.45], random_state = 1234)
# 将模拟得到的数组转换为数据框，用于绘图
plot_data = pd.DataFrame(np.column_stack((X,y)), columns = ['x1','x2','y'])
# 绘制散点图（用不同的形状代表不同的簇）
sns.lmplot('x1', 'x2', data = plot_data, hue = 'y',markers = ['^','o'],
           fit_reg = False, legend = False)
# 显示图形
plt.show()

# 设置大图框的长和高
plt.figure(figsize = (16,5))
# 设置第一个子图的布局
ax1 = plt.subplot2grid(shape = (1,3), loc = (0,0))
# 层次聚类--最小距离法
agnes_min = cluster.AgglomerativeClustering(n_clusters = 2, linkage='ward')
agnes_min.fit(X)
# 绘制聚类效果图
ax1.scatter(X[:,0], X[:,1], c=agnes_min.labels_)

# 设置第二个子图的布局
ax2 = plt.subplot2grid(shape = (1,3), loc = (0,1))
# 层次聚类--最大距离法
agnes_max = cluster.AgglomerativeClustering(n_clusters = 2, linkage='complete')
agnes_max.fit(X)
ax2.scatter(X[:,0], X[:,1], c=agnes_max.labels_)

# 设置第三个子图的布局
ax2 = plt.subplot2grid(shape = (1,3), loc = (0,2))
# 层次聚类--平均距离法
agnes_avg = cluster.AgglomerativeClustering(n_clusters = 2, linkage='average')
agnes_avg.fit(X)
plt.scatter(X[:,0], X[:,1], c=agnes_avg.labels_)
plt.show()

中间用最大距离法时效果不好，左边为最小，右边为平均，效果均较好

三、密度聚类和层次聚类的比较

# 读取外部数据
Province = pd.read_excel(r'F:\Province.xlsx')
Province.head()

# 绘制出生率与死亡率散点图
plt.scatter(Province.Birth_Rate, Province.Death_Rate, c = 'steelblue')
# 添加轴标签
plt.xlabel('Birth_Rate')
plt.ylabel('Death_Rate')
# 显示图形
plt.show()

通过肉眼可发现3个簇，用密度聚类进行验证

对于聚类，无论是哪种，都要先对原始数据做标准化处理

# 读入第三方包
from sklearn import preprocessing
# 选取建模的变量
predictors = ['Birth_Rate','Death_Rate']
# 变量的标准化处理
X = preprocessing.scale(Province[predictors])
X = pd.DataFrame(X)
X.head()

对于密度聚类，要不停地调试参数，因为聚类效果在不同参数组合下有较大差异

# 构建空列表，用于保存不同参数组合下的结果
res = []
# 迭代不同的eps值
for eps in np.arange(0.001,1,0.05):
    # 迭代不同的min_samples值
    for min_samples in range(2,10):
        dbscan = cluster.DBSCAN(eps = eps, min_samples = min_samples)
        # 模型拟合
        dbscan.fit(X)
        # 统计各参数组合下的聚类个数（-1表示异常点）
        n_clusters = len([i for i in set(dbscan.labels_) if i != -1])
        # 异常点的个数
        outliners = np.sum(np.where(dbscan.labels_ == -1, 1,0))
        # 统计每个簇的样本个数
        stats = str(pd.Series([i for i in dbscan.labels_ if i != -1]).value_counts().values)
        res.append({'eps':eps,'min_samples':min_samples,'n_clusters':n_clusters,'outliners':outliners,'stats':stats})
# 将迭代后的结果存储到数据框中        
df = pd.DataFrame(res)
df.head()

如果需要将数据聚类为3类，则

# 根据条件筛选合理的参数组合
df.loc[df.n_clusters == 3, :]

对比之前散点图，当异常值个数为4时比较合理，即129一行

但将数据聚为几类比较合理，需要通过轮廓系数法等或者主成分分析

此时先根据129行参数组合，构造密度聚类模型，实现原始数据集的聚类

# 中文和负号的正常显示
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
import matplotlib.pyplot as plt
# 设置绘图风格
plt.style.use('ggplot')
# 利用上述的参数组合值，重建密度聚类算法
dbscan = cluster.DBSCAN(eps = 0.801, min_samples = 3)
# 模型拟合
dbscan.fit(X)
Province['dbscan_label'] = dbscan.labels_
# 绘制聚类聚类的效果散点图
sns.lmplot(x = 'Birth_Rate', y = 'Death_Rate', hue = 'dbscan_label', data = Province,
           markers = ['*','d','^','o'], fit_reg = False, legend = False)
# 添加省份标签
for x,y,text in zip(Province.Birth_Rate,Province.Death_Rate, Province.Province):
    plt.text(x+0.1,y-0.1,text, size = 8)
# 添加参考线
plt.hlines(y = 5.8, xmin = Province.Birth_Rate.min(), xmax = Province.Birth_Rate.max(), 
           linestyles = '--', colors = 'red')
plt.vlines(x = 10, ymin = Province.Death_Rate.min(), ymax = Province.Death_Rate.max(), 
           linestyles = '--', colors = 'red')
# 添加轴标签
plt.xlabel('Birth_Rate')
plt.ylabel('Death_Rate')
# 显示图形
plt.show()

五角星为异常点，聚类效果不错，例如，以北京、天津、上海为代表的省份，属于低出生率和低死亡率类型。。

再次利用层次聚类，进行聚类

# 利用最小距离法构建层次聚类
agnes_min = cluster.AgglomerativeClustering(n_clusters = 3, linkage='ward')
# 模型拟合
agnes_min.fit(X)
Province['agnes_label'] = agnes_min.labels_
# 绘制层次聚类的效果散点图
sns.lmplot(x = 'Birth_Rate', y = 'Death_Rate', hue = 'agnes_label', data = Province,
           markers = ['d','^','o'], fit_reg = False, legend = False)
# 添加轴标签
plt.xlabel('Birth_Rate')
plt.ylabel('Death_Rate')
# 显示图形
plt.show()

所有散点聚为3类，与密度聚类相比，除了将异常点划分到簇中，其他分类正确

再使用Kmeans聚类进行分析，用轮廓系数法确定最佳K值

# 导入第三方模块
from sklearn import metrics
# 构造自定义函数，用于绘制不同k值和对应轮廓系数的折线图
def k_silhouette(X, clusters):
    K = range(2,clusters+1)
    # 构建空列表，用于存储个中簇数下的轮廓系数
    S = []
    for k in K:
        kmeans = cluster.KMeans(n_clusters=k)
        kmeans.fit(X)
        labels = kmeans.labels_
        # 调用字模块metrics中的silhouette_score函数，计算轮廓系数
        S.append(metrics.silhouette_score(X, labels, metric='euclidean'))

    # 中文和负号的正常显示
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
    # 设置绘图风格
    plt.style.use('ggplot')    
    # 绘制K的个数与轮廓系数的关系
    plt.plot(K, S, 'b*-')
    plt.xlabel('簇的个数')
    plt.ylabel('轮廓系数')
    # 显示图形
    plt.show()
    
# 聚类个数的探索
k_silhouette(X, clusters = 10)

当簇的个数为3时，轮廓系数最大，说明为3 类比较合理，也验证了之前肉眼所观察到的结论。

# 利用Kmeans聚类
kmeans = cluster.KMeans(n_clusters = 3)
# 模型拟合
kmeans.fit(X)
Province['kmeans_label'] = kmeans.labels_
# 绘制Kmeans聚类的效果散点图
sns.lmplot(x = 'Birth_Rate', y = 'Death_Rate', hue = 'kmeans_label', data = Province,
           markers = ['d','^','o'], fit_reg = False, legend = False)
# 添加轴标签
plt.xlabel('Birth_Rate')
plt.ylabel('Death_Rate')
plt.show()

当为球形数据时，层次、Kmeans、密度的效果几乎一致，所不同的是密度聚类可以很方便的发现异常点。