机器学习聚类算法

Posted 2022-11-09 赵广陆

目录

• 1 认识聚类算法
• • 1.1 聚类算法在现实中的应用
  • 1.2 聚类算法的概念
  • 1.3 聚类与分类最大的区别
  • 1.4 小结
• 2 聚类算法api初步使用
• • 2.1 api介绍
  • 2.2 案例
  • • 2.2.1流程分析
    • 2.2.2 代码实现
  • 2.3 小结
• 3 聚类算法实现流程
• • 3.1 k-means聚类步骤
  • 3.2 案例练习
  • 3.3 小结

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1 认识聚类算法

使用不同的聚类准则，产生的聚类结果不同。

1.1 聚类算法在现实中的应用

• 用户画像，广告推荐，Data Segmentation，搜索引擎的流量推荐，恶意流量识别
• 基于位置信息的商业推送，新闻聚类，筛选排序
• 图像分割，降维，识别；离群点检测；信用卡异常消费；发掘相同功能的基因片段

1.2 聚类算法的概念

聚类算法：

一种典型的无监督学习算法，主要用于将相似的样本自动归到一个类别中。

在聚类算法中根据样本之间的相似性，将样本划分到不同的类别中，对于不同的相似度计算方法，会得到不同的聚类结果，常用的相似度计算方法有欧式距离法。

1.3 聚类与分类最大的区别

聚类算法是无监督的学习算法，而分类算法属于监督的学习算法。

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1.4 小结

• 聚类算法分类【了解】
  • 粗聚类
  • 细聚类
• 聚类的定义【了解】
  • 一种典型的无监督学习算法，
  • 主要用于将相似的样本自动归到一个类别中
  • 计算样本和样本之间的相似性，一般使用欧式距离

2 聚类算法api初步使用

2.1 api介绍

• sklearn.cluster.KMeans(n_clusters=8)
  • 参数:
    • n_clusters:开始的聚类中心数量
      • 整型，缺省值=8，生成的聚类数，即产生的质心（centroids）数。
  • 方法:
    • estimator.fit(x)
    • estimator.predict(x)
    • estimator.fit_predict(x)
      • 计算聚类中心并预测每个样本属于哪个类别,相当于先调用fit(x),然后再调用predict(x)

2.2 案例

随机创建不同二维数据集作为训练集，并结合k-means算法将其聚类，你可以尝试分别聚类不同数量的簇，并观察聚类效果：

聚类参数n_cluster传值不同，得到的聚类结果不同

2.2.1流程分析

2.2.2 代码实现

1.创建数据集

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets.samples_generator import make_blobs
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import calinski_harabaz_score

# 创建数据集
# X为样本特征，Y为样本簇类别， 共1000个样本，每个样本2个特征，共4个簇，
# 簇中心在[-1,-1], [0,0],[1,1], [2,2]， 簇方差分别为[0.4, 0.2, 0.2, 0.2]
X, y = make_blobs(n_samples=1000, n_features=2, centers=[[-1, -1], [0, 0], [1, 1], [2, 2]],
                  cluster_std=[0.4, 0.2, 0.2, 0.2],
                  random_state=9)

# 数据集可视化
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], marker='o')
plt.show()

2.使用k-means进行聚类,并使用CH方法评估

y_pred = KMeans(n_clusters=2, random_state=9).fit_predict(X)
# 分别尝试n_cluses=2\\3\\4,然后查看聚类效果
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y_pred)
plt.show()

# 用Calinski-Harabasz Index评估的聚类分数
print(calinski_harabaz_score(X, y_pred))

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2.3 小结

• api：sklearn.cluster.KMeans(n_clusters=8)【知道】
  • 参数:
    • n_clusters:开始的聚类中心数量
  • 方法：
    • estimator.fit_predict(x)
      • 计算聚类中心并预测每个样本属于哪个类别,相当于先调用fit(x),然后再调用predict(x)

3 聚类算法实现流程

3.1 k-means聚类步骤

• 1、随机设置K个特征空间内的点作为初始的聚类中心
• 2、对于其他每个点计算到K个中心的距离，未知的点选择最近的一个聚类中心点作为标记类别
• 3、接着对着标记的聚类中心之后，重新计算出每个聚类的新中心点（平均值）
• 4、如果计算得出的新中心点与原中心点一样（质心不再移动），那么结束，否则重新进行第二步过程

通过下图解释实现流程：

k聚类动态效果图

3.2 案例练习

• 案例：

• 1、随机设置K个特征空间内的点作为初始的聚类中心（本案例中设置p1和p2）

2、对于其他每个点计算到K个中心的距离，未知的点选择最近的一个聚类中心点作为标记类别

3、接着对着标记的聚类中心之后，重新计算出每个聚类的新中心点（平均值）

4、如果计算得出的新中心点与原中心点一样（质心不再移动），那么结束，否则重新进行第二步过程【经过判断，需要重复上述步骤，开始新一轮迭代】

5、当每次迭代结果不变时，认为算法收敛，聚类完成，K-Means一定会停下，不可能陷入一直选质心的过程。

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3.3 小结

• K-means聚类实现流程

  【掌握】

  • 事先确定常数K，常数K意味着最终的聚类类别数;

  • 随机选定初始点为质心，并通过计算每一个样本与质心之间的相似度(这里为欧式距离)，将样本点归到最相似的类中，

  • 接着，重新计算每个类的质心(即为类中心)，重复这样的过程，直到质心不再改变，

  • 最终就确定了每个样本所属的类别以及每个类的质心。

  • 注意

    :

    • 由于每次都要计算所有的样本与每一个质心之间的相似度，故在大规模的数据集上，K-Means算法的收敛速度比较慢。