机器学习之SKlearn（scikit-learn）的K-means聚类算法

Posted 2021-04-08 启示AI科技

在工程应用中，用python手写代码来从头实现一个算法的可能性非常低，这样不仅耗时耗力，还不一定能够写出构架清晰，稳定性强的模型。更多情况下，是分析采集到的数据，根据数据特征选择适合的算法，在工具包中调用算法，调整算法的参数，获取需要的信息，从而实现算法效率和效果之间的平衡。而sklearn，正是这样一个可以帮助我们高效实现算法应用的工具包。

Scikit learn 也简称 sklearn, 是机器学习领域当中最知名的 python 模块之一.

Sklearn 包含了很多种机器学习的方式:

1. · Classification 分类

2. · Regression 回归

3. · Clustering 非监督分类

4. · Dimensionality reduction 数据降维

5. · Model Selection 模型选择

6. · Preprocessing 数据预处理

我们总能够从这些方法中挑选出一个适合于自己问题的, 然后解决自己的问题.

sklearn有一个完整而丰富的官网，里面讲解了基于sklearn对所有算法的实现和简单应用。

Sklearn的安装直接在cmd命令行中输入：pip install scikit-learn

注意一点是需要自己的python版本要大于3.4

Sklearn常用算法模块

sklearn中常用的模块有分类、回归、聚类、降维、模型选择、预处理。

分类：识别某个对象属于哪个类别，常用的算法有：SVM（支持向量机）、nearest neighbors（最近邻）、random forest（随机森林），常见的应用有：垃圾邮件识别、图像识别。

分类

回归：预测与对象相关联的连续值属性，常见的算法有：SVR（支持向量机）、 ridge regression（岭回归）、Lasso，常见的应用有：药物反应，预测股价。

回归

聚类：将相似对象自动分组，常用的算法有：k-Means、 spectral clustering、mean-shift，常见的应用有：客户细分，分组实验结果。

聚类

降维：减少要考虑的随机变量的数量，常见的算法有：PCA（主成分分析）、feature selection（特征选择）、non-negative matrix factorization（非负矩阵分解），常见的应用有：可视化，提高效率。

模型选择：比较，验证，选择参数和模型，常用的模块有：grid search（网格搜索）、cross validation（交叉验证）、 metrics（度量）。它的目标是通过参数调整提高精度。

预处理：特征提取和归一化，常用的模块有：preprocessing，feature extraction，常见的应用有：把输入数据（如文本）转换为机器学习算法可用的数据。

Sklearn算法模型选择

使用 Sklearn 时，先了解一下Sklearn都有什么模型方法，然后选择适当的方法，来达到你的目标。

Sklearn 官网提供了一个流程图， 蓝色圆圈内是判断条件，绿色方框内是可以选择的算法：

从 START 开始，首先看数据的样本是否 >50，小于则需要收集更多的数据。

由图中，可以看到算法有四类，分类，回归，聚类，降维。

其中 分类和回归是监督式学习，即每个数据对应一个 label。聚类 是非监督式学习，即没有 label。另外一类是 降维，当数据集有很多很多属性的时候，可以通过 降维 算法把属性归纳起来。

然后看问题属于哪一类问题，是分类还是回归，还是聚类，就选择相应的算法。当然还要考虑数据的大小，例如 100K 是一个阈值。

可以发现有些方法是既可以作为分类，也可以作为回归，例如 SGD。

Sklearn聚类算法

关于神经网络的分类与回归问题，小编前期的文章都分享了很多类似的文章，小伙伴们可以进入小编主页进行其他类似文章的阅读，今天我们就来看看Sklearn下面的聚类算法

聚类：将相似对象自动分组，常用的算法有：k-Means、 spectral clustering、mean-shift，常见的应用有：客户细分，分组实验结果

Sklearn官网也列举了不同的聚类算法的优缺点，可以参考如下

Sklearn聚类算法对比

Sklearn聚类算法官方列举了不同的算法，大家可以根据自己的数据特征，以及需要解决的问题，选择不同的算法，本期我们首先简单了解一下K-means算法

Sklearn聚类算法的K-means算法

K-means聚类算法

聚类算法的过程：

1. 随机选择k个中心

2. 遍历所有样本，把样本划分到距离最近的一个中心

3. 划分之后就有K个簇，计算每个簇的平均值作为新的质心

4. 重复步骤2，直到达到停止条件

5. 停止：聚类中心不再发生变化；所有的距离最小；迭代次数达到设定值

在python中，聚类算法集成在sklearn.cluster中

from sklearn.cluster import KMeans
KMeans(n_clusters=8,init='k-means++',n_init=10,max_iter=300,tol=0.0001,
       precompute_distances='auto',verbose=0,random_state=None,
       copy_x=True,n_jobs=1,algorithm='auto')

参数：

n_clusters：
整形，默认=8 【生成的聚类数，即产生的质心（centroids）数
init：有三个可选值：'k-means++'， 'random'，或者传递一个ndarray向量。
此参数指定初始化方法，默认值为 'k-means++'。
（１）'k-means++' 用一种特殊的方法选定初始质心从而能加速迭代过程的收敛
（２）'random' 随机从训练数据中选取初始质心。
（３）如果传递的是一个ndarray，则应该形如 (n_clusters, n_features) 并给出初始质心n_init：整形，默认=10用不同的质心初始化值运行算法的次数，最终解是在inertia意义下选出的最优结果
max_iter：整形，默认=300执行一次k-means算法所进行的最大迭代数
tol：float形，默认值= 1e-4　与inertia结合来确定收敛条件
precompute_distances：三个可选值，'auto'，True 或者 False。预计算距离，计算速度更快但占用更多内存。
（１）'auto'：如果 样本数乘以聚类数大于 12million 的话则不预计算距离
（２）True：总是预先计算距离
（３）False：永远不预先计算距离
自版本0.23起已弃用：'precompute_distances'在版本0.22中已弃用，并将在0.25中删除。没有作用
verbose：int 默认为0，Verbosity mode
random_state：整形或 numpy.RandomState 类型，可选用于初始化质心的生成器（generator）如果值为一个整数，则确定一个seed。此参数默认值为numpy的随机数生成器copy_x：布尔型，默认值=True
当我们precomputing distances时，将数据中心化会得到更准确的结果如果把此参数值设为True，则原始数据不会被改变
如果是False，则会直接在原始数据上做修改并在函数返回值时将其还原
但是在计算过程中由于有对数据均值的加减运算，所以数据返回后，原始数据和计算前可能会有细小差别n_jobs：整形数。　指定计算所用的进程数。内部原理是同时进行n_init指定次数的计算。（１）若值为 -1，则用所有的CPU进行运算
（2）若值为1，则不进行并行运算，这样的话方便调试
（3）若值小于-1，则用到的CPU数为(n_cpus + 1 + n_jobs)
         如果 n_jobs值为-2，则用到的CPU数为总CPU数减1
  从0.23版n_jobs开始不推荐使用：从0.23版开始不推荐使用，并将在0.25版中删除。
  algorithm：三种可选“auto”, “full”, “elkan”, default=”auto”
 使用K均值算法。经典的EM风格算法是“full”的 通过使用三角形不等式，“ elkan”算法对于定义良好的聚类的数据更有效 但是，由于分配了额外的形状数组（n_samples，n_clusters），因此需要更多的内存。目前，“ auto”（保持向后兼容性）选择“ elkan”在版本0.18中更改：添加了Elkan算法

以上算法中的参数虽然很多，但是绝大多数我们直接采用默认参数即可，这样在我们实际使用过程中，传递我们需要的几个参数便可。下期文章，就k-means算法我们使用几个案例来具体学习一下其算法的实际应用

聚类算法