用NBA球员数据学透聚类算法，附源码

Posted 2021-07-09 小一的学习笔记

大家好，我是小一

老读者应该都知道，小一前面写过一个专栏，从原理到实战详细介绍了数据挖掘中的一些算法，感兴趣的读者可以点击：

其中有一个算法在日常工作中比较常用，它就是：聚类算法，例如：样本点的均值聚类、经纬度的密度聚类等等，简单且实用。

今天这篇文章，主要是通过k-means实现对NBA球员的聚类，比较有趣，推荐大家阅读和练手

以下是正文：

正文

今天我们主要用 NBA 球员赛季表现聚类来探讨下 K-Means 算法

K-Means 是一个清晰明白的无监督学习方法，和 KNN 有很多相似点，例如都有超参数 K，前者是 K 个类别，后者是 K 个邻居。

聚类算法是不需要标签的，直接从数据的内在性之中学习最优的分类结果，或者说确定离散标签类型。K-Means 聚类算法是其中最简单、最容易理解的。

简单即高效。我们的目标是学习一个东西，然后把它的思想应用到我们想要探索的场景，以加深对算法的理解。

最优的聚类结果需要满足两个假设：

1. “簇中心点”（cluster center）是属于该簇的所有的数据点坐标的算术平均值

2. 一个簇的每个点到该簇中心点的距离，比到其他簇中心点的距离短

于是 K-Means 聚类的工作流为

1. 随机猜测一些簇中心点

2. 将样本分配至离其最近的簇中心点上去

3. 将簇中心点设置为所有点坐标的平均值

4. 重复 2 和 3 直至收敛

我们会编码实现 K-Means 算法，并用于 NBA 控卫 2020-21 常规赛季的表现分析中。

找到数据

我们可以从https://www.basketball-reference.com找到我们想要的数据，那就是NBA球员在过去一个赛季的统计数据。

数据获取流程如下

看看数据

# 三剑客来一遍
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

nba = pd.read_csv("nba_2020.csv")
nba.head()

我们发现姓名列有个\，后面跟着不知道是什么的简称，可以处理掉。另外字段名全是简写，我一个球迷有很多都看不懂。

整理了下字段含义，我们看一遍，这样就大概了解了这个数据集有什么了。

• Age：年龄（别告诉我你知不知道）

• TM（team）：球队

• Lg（league）：联盟

• Pos（position）：位置

• PG（Point Guard）：组织后卫

• GS（Games Started）:首发出场次数

• MP（Minutes Played Per Game）：场均上场时间

• FG（Field Goals Per Game）：场均命中数

• FGA（Field Goal Attempts Per Game）：场均投篮数

• FG%（Field Goal Percentage）：命中率

• 3P（3-Point Field Goals Per Game）：三分球命中率

• 3PA （3-Point Field Goal Attempts Per Game）：场均三分球投篮数

• 3P% （3-Point Field Goal Percentage）：三分球命中率

• 2P （2-Point Field Goals Per Game）：两分球命中数

• 2PA （2-Point Field Goal Attempts Per Game）：场均两分投篮数

• 2P% （2-Point Field Goal Percentage）：两分球命中率

• eFG% （Effective Field Goal Percentage）：有效命中率

• FT （Free Throws Per Game）：场均罚球命中数

• FTA （Free Throw Attempts Per Game）：场均罚球数

• FT% （Free Throw Percentage）：罚球命中率

• ORB （Offensive Rebounds Per Game）：场均进攻篮板数

• DRB （Defensive Rebounds Per Game）：场均防守篮板数

• TRB （Total Rebounds Per Game）：总篮板数

• AST （Assists Per Game）：场均助攻

• STL （Steals Per Game）：场均抢断

• BLK （Blocks Per Game）：场均盖帽

• TOV （Turnovers Per Game）：场均失误

• PF （Personal Fouls Per Game）：场均个人犯规

• PTS （Points Per Game）：场均得分

处理数据

# 球员名字取\前面的字符
nba['Player'] = nba['Player'].apply(lambda x: x.split('\\')[0])
# 取控卫PG的样本进行分析
point_guards = nba[nba['Pos'] == 'PG']
# 剔除0失误的控卫数据，0tov意味着场次太少，且0不能被除
point_guards = point_guards[point_guards['TOV'] != 0]
# 定义ATR为助攻失误比，并计算出来
point_guards['ATR'] = point_guards['AST'] / point_guards['TOV']

处理后的数据变成了下面的样子，我们剩下了 124 个控卫数据。

判断一个控卫优不优秀，最重要的两个指标是场均得分和场均助攻失误比，也就是PTS和ATR。下面我们就用这两个关键特征对球员聚类。

探索数据

看下这些球员的场次得分与助攻失误比散点图，这往往是数据分析和建模的第一步。

# 改善下绘图风格
import seaborn as sns
sns.set()

# nba联盟控卫场次得分与助攻失误比散点图
plt.scatter(point_guards['PTS'], point_guards['ATR'], c='y')
plt.title("Point Guards")
plt.xlabel('Points Per Game', fontsize=13)
plt.ylabel('Assist Turnover Ratio', fontsize=13)
plt.show()

最右边得分超过 30 的你不用猜，就是这个男人。

确认下数据，场均得分大于 25 的过滤出来看下，果然是库里，东契奇、欧文、利拉德等人赫然在列。这些超巨得分是高，但看起来助攻失误比差不多都在平均线上下。这是合理的。

其实有点干的越多错的越多的意思，工作上亦是如此。

看了下助攻失误比超高或超低的，我都不认识就不说了。

我们聚类吧

从散点图来看，其实并没有明显的簇，但我们可以人为定义任意个簇。我们还是分成 5 类。于是我们开始做聚类的第一步。

STEP1：随机认定 5 个样本点作为簇的中心点

num_clusters = 5
# 从样本里随机选5个出来作为5个簇的起始中心点
random_initial_points = np.random.choice(point_guards.index, size=num_clusters)
centroids = point_guards.loc[random_initial_points]
# 画出散点图，包括5个随机选取的聚类中心点
plt.scatter(point_guards['PTS'], point_guards['ATR'], c='y')
plt.scatter(centroids['PTS'], centroids['ATR'], c='red')
plt.title("Centroids")
plt.xlabel('Points Per Game', fontsize=13)
plt.ylabel('Assist Turnover Ratio', fontsize=13)
plt.show()

随后就是不断迭代优化簇中心点的过程，为了方便，我们将中心点的坐标存在一个字典里。

def centroids_to_dict(centroids):
    dictionary = dict()
    # iterating counter we use to generate a cluster_id
    counter = 0

    # iterate a pandas data frame row-wise using .iterrows()
    for index, row in centroids.iterrows():
        coordinates = [row['PTS'], row['ATR']]
        dictionary[counter] = coordinates
        counter += 1

    return dictionary

centroids_dict = centroids_to_dict(centroids)

上图我们看到，随机选出来的centroids，我们把它存在了一个centroids_dict里面。

STEP2：将样本分配至离其最近的簇中心点上去

这里涉及两个计算，一个是距离的度量，一个是最小元素的查找。前者我们采用欧拉距离，后者是选择排序的精髓。

先定义好这两个计算函数，如下。

import math

def calculate_distance(centroid, player_values):
    root_distance = 0

    for x in range(0, len(centroid)):
        difference = centroid[x] - player_values[x]
        squared_difference = difference**2
        root_distance += squared_difference

    euclid_distance = math.sqrt(root_distance)
    return euclid_distance


def assign_to_cluster(row):
    lowest_distance = -1
    closest_cluster = -1

    for cluster_id, centroid in centroids_dict.items():
        df_row = [row['PTS'], row['ATR']]
        euclidean_distance = calculate_distance(centroid, df_row)

        if lowest_distance == -1:
            lowest_distance = euclidean_distance
            closest_cluster = cluster_id
        elif euclidean_distance < lowest_distance:
            lowest_distance = euclidean_distance
            closest_cluster = cluster_id
    return closest_cluster

执行这两个函数，我们就完成了 STEP2，我们可视化看下完成后的结果。

point_guards['cluster'] = point_guards.apply(lambda row: assign_to_cluster(row), axis=1)

def visualize_clusters(df, num_clusters):
    colors = ['b', 'g', 'r', 'c', 'm', 'y', 'k']

    for n in range(num_clusters):
        clustered_df = df[df['cluster'] == n]
        plt.scatter(clustered_df['PTS'], clustered_df['ATR'], c=colors[n-1])
        plt.xlabel('Points Per Game', fontsize=13)
        plt.ylabel('Assist Turnover Ratio', fontsize=13)
    plt.show()

visualize_clusters(point_guards, 5)

以上，5 个类别分别以不同的颜色标识出来了，但显然这是随机簇的结果，划分的 5 类结果并没有太好。我们还需要 STEP3。

STEP3：将簇中心点设置为所有点坐标的平均值

def recalculate_centroids(df):
    new_centroids_dict = dict()

    for cluster_id in range(0, num_clusters):
        values_in_cluster = df[df['cluster'] == cluster_id]
        # Calculate new centroid using mean of values in the cluster
        new_centroid = [np.average(values_in_cluster['PTS']), np.average(values_in_cluster['ATR'])]
        new_centroids_dict[cluster_id] = new_centroid
    return new_centroids_dict

STEP4：重复 2 和 3

# 多次迭代，试试100轮吧
for _ in range(0,100):
    centroids_dict = recalculate_centroids(point_guards)
    point_guards['cluster'] = point_guards.apply(lambda row: assign_to_cluster(row), axis=1)

visualize_clusters(point_guards, num_clusters)

最终的结果如上，我们看到效果已经得到了很好的优化。高得分的在一个簇，高助攻失误比的在一个簇。

以上，我们写了很多代码。手写算法是为了学习和理解。工程上，我们要充分利用工具和资源。

sklearn 库就包含了我们常用的机器学习算法实现，可以直接用来建模。

from sklearn.cluster import KMeans

kmeans = KMeans(n_clusters=num_clusters)
kmeans.fit(point_guards[['PTS', 'ATR']])
point_guards['cluster'] = kmeans.labels_

visualize_clusters(point_guards, num_clusters)

短短五行代码就完成了我们从零开始写的百来行代码，效果看起来也很合理。值得说明的是，聚类受起始点的影响，可能不会达到全局最优结果。

以上就是今天的主要内容，感兴趣的读者可以自己试着练下手

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