常见的5中聚类算法

Posted 2021-01-13 wingpig

聚类是机器学习中一种方法，常用用于处理数据分组的问题。给定一组数据，利用聚类算法将每一个数据点分批到一个特定的组。这就要求对于同一组的数据点，应该具有相同的性质（特征）；对于不同组的数据点，在性质（特征）上应该有显著的区别。聚类算法数据无监督学习（unsupervised learning），常用于处理静态数据的分类问题。

K-Means

K-Means算法是一种简单的迭代性聚类算法，采用距离作为相似性度量指标。从而将给定的数据集分为K个类，每个类的中心是由该类中所有点的均值得到，每个类均由聚类中心进行表示。

对给定的一个包含n个点的d维数据集X以及分类的个数K，选取欧式距离作为相似度指标。距离的目标是使各类的聚类平方和最小，即最小化度量函数即损失函数为：
[J=sum_{k=1}^{K}{sum_{j=1}^{n}{(||x_i-u_k||^2)}}]

分类过程

1. 确定聚类个数，即设定K值；
2. 从数据集中随机选择K个点作为初始类中心 ；
3. 对于数据集中的每一个样本点，分别计算其到各个类中心的距离，并选择距离最近的类中心作为该样本点的分组 ；
4. 执行完上一步骤后。对于每一个类，分别重新聚类中心，不断迭代，知道聚类中心收敛（不再移动）。聚类中心重新计算的方法是，计算该类的中点（几何重心、均值）。
   
   
   
   K-Means算法具有较高的聚类速度，其复杂度是(O(n))。但是该方法也具有明显的缺点：1、需要制定K值；2、其随机选择初始类重心，因此对于同一组数据可能会得到不同的分类模型。

K-Medians是一种和K-Means相似的迭代性聚类算法，只不过其在重新计算聚类中心时进行了改变，将均值计算改为中值计算。因此该方法相对于K-Means对异常值更鲁棒，但是其代价却是计算复杂度的增加，因为每个迭代过程中都需要对每类中的数据点进行排队找中值。

MeanShift

MeanShift是一个基于滑动窗口和质心的聚类算法，其目的是找出数据集中密度最大的区域。基于质心的意思是定位每一个组/类的质心，通过滑动窗口的方式不断更新质心的候选点。

对给定的d维空间(R^d)上的n个样本点，在空间中任选一点x，则MeanShift向量的表达形式为：[M_h=frac{1}{K}sum_{{x_i}in{S_h}}{(x_i-x)}] (S_k)是满足以h为半径的高维球区域，满足一下关系的y的集合：[S_k(x)={y:(y-x_i)^T(y-x_i)<h^2}]k表示在n个(x_i)点中，落在高维球区域(S_k)的内的点的个数。

直白来说，是以x为中心，画一个半径为h的高维球（当是二维空间时就是圆，当时三维空间时就是球，当是多维空间时就是多维球），假设落在高维球内的点有k个，则分别将圆心（x）和其他点进行连接，构成k个向量，然后再将k个向量进行相加，最后得到的向量和就是MeanShift。

分类过程

1. 对于数据集，首先指定半径h并随机初始化一个中心点x，即得到第一个高维球区域。MeanShift是一种爬山算法，它在每次迭代中都将核移动至具有较高密度的区域，直至收敛。
2. 对上述高维球区域，计算MeanShift，然后移动中心点，得到一个新的高维球区域。
3. 不断地移动中心点，可以使高维球区域一直向具有更高密度区域的方向进行移动，直至没有移动方向（即）。
4. 通过设置多个高维球区域，不断地执行1-3的步骤，直至所有的高维球都收敛。当多个高维球发生重叠时，包含最多点的高维球区域被保留。最后数据集则根据高维球区域分类完毕。
   
   
   单个高维球区域
   
   多个高维球区域

Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise(DBSCAN)

DBSCAN（具有噪声的密度聚类算法）是一种特别的聚类算法，相比于只用于凸优化样本集中的K-Means算法，DBSCAN既可以用于凸优化样本集也可以用于非凸优化样本集。DBCAN是一种基于密度的聚类算法，该算法假设样本的类别可以通过样本分布的紧密程度进行区分。同一类别的样本，他们之间是紧密相连的；不同类别的样本则分布的相对较远。通过将紧密相连的样本划为一类，这样就得到了一个聚类类别。通过将所有各组紧密相连的样本划为各个不同的类别，则我们就得到了最终的所有聚类类别结果。

DBSCAN是基于一组邻域来描述样本集的紧密程度，参数((varepsilon, minPts))来描述邻域的样本分布密度，其中(varepsilon)表示某一样本的邻域距离的阈值，minPts表示某一样本的距离为(varepsilon)的邻域中样本个数的阈值。

假设样本集是(D=(x_1,x_2,,,x_m))，则DBSCAN具体的密度描述定义如下：

• (varepsilon)-邻域：对于(x_jepsilon{D})，其(varepsilon)邻域是指，样本集D内所有与(x_j)的距离不大于(varepsilon)的子样本集，即[N_varepsilon{(x_i)}={{x_iepsilon{D}|distance(x_i,x_j)< varepsilon }}]这个子样本集的个数是(|N_varepsilon{(x_i)}|)；
• 核心对象：对任意一个样本(x_j)，如果其(varepsilon)-邻域包含的样本个数(|N_varepsilon{(x_i)}|)大于minPts，则称该样本点(x_j)是核心对象；
• 密度直达：如果(x_i)位于(x_j)的(varepsilon)邻域内，且(x_j)是核心对象，则称(x_i)由(x_j)密度直达。注意，反之不成立，不能说是(x_j)由(x_i)密度直达，除非(x_i)也是核心对象；
• 密度可达：对于(x_i)和(x_j)，存在核心对象序列(P={p_1,p_2,,,p_T})，满足(p_{t+1})由(p_t)可达，如果(x_i=p_1,x_j=p_T)，则称(x_j)由(x_i)密度可达，即说明密度直达具有传递性；

• 密度相连：对于(x_i)和(x_j)，存在一个核心对象(x_k)，如果(x_i)由(x_k)密度可达且(x_j)由(x_k)密度可达，则称(x_i)和(x_j)密度相连；

  Exception-Maximization(EM) Clustering using Gaussian Mixture Models(GMM)

  K-Means主要的缺点是其使用均值作为聚类中心，在某些聚类情况下无法有效区分聚类中心。例如下图的左侧图像，我们肉眼可以很容易的看出整个图像分为两类：左侧绿色点，右侧蓝色点。然而在使用K-Means算法时，却无法有效区分分聚类中心，因为采用均值计算聚类中心，则聚类中心大约都处在圆心部位。
  

  
  
  

Gaussian Mixture Models（GMMs）相比于K-Means具有更高的灵活性，使用GMMS的前提是假设数据点是服从高斯分布的。因此我们使用两个参数来对聚类进行描述：均值和标准偏差。例如在二位空间中我们可以表示任何形式的椭圆，因为我们具有中心点和x,y轴的标准差。

为找到每个类的高斯参数，我们采用期望最大策略（Expectation-Maximization，EM）。GMMs聚类的步骤如下：

1. 像K-Means一样，首先需要制定聚类的个数，然后再为每个类随机生成高斯分布参数；
2. 给定每个集群的高斯分布参数，然后计算每个点属于特定集群的概率。离高斯中心最近点越有可能属于该集群。因为在高斯分布中，我们假设大多数数据点靠近集群中心。
3. 基于上面的概率，重新计算高斯分布参数，以便使集群内所有点的概率和最大。在计算高斯分布参数时，采用数据点位置的加权方式计算参数，权重就是数据点属于特定集合的概率。
4. 重复进行上述第2、3步，直至收敛，既在每次迭代中参数个改变小于某个阈值。

GMMs具有两个关键的优势：1、对于cluster covariance（聚类协方差）情况下，相比于K-Means更为灵活。因为通过使用标准偏差参数可以表示任何形式的椭圆，而K-Means只能表示圆，当然K-Means可以看做是GMMs的一种特例，每个群在各个维度上的协方差均为0。2、因为GMMs采用概率的方式，因此可解决一个点属于多簇的情况。例如一个点在两个簇的交叉点上，可以描述为属于簇1的概率是X，属于簇2的概率是Y。

Agglomerative Hierarchy Clustering(AHC)

层次聚类根据聚类的方式分为两类：自上而下和自下而上。自下而上的聚类算法，起初假设每个样本都是一个单独的类别，然后相继的合并类别，直到最后只有一个类别。最终将得到一个类似于树的结构，树的根是一个类别，其包含所有的样本点，而叶子则是只有一个样本的集群。

聚类过程如下：

1. 首先假设集群内的每个样本都是一个单独的类，然后再选择一个距离度量方式，计算任何两类之间的距离。比如使用平均距离法计算两个类之间的距离，取第一个簇内样本点和第二个簇内样本点之间的平均距离。
2. 在每一次迭代过程中都会将两个簇合并为一个簇
3. 重复执行第二步骤，直至所所有样本点被合并到一个簇内，即只有一个顶点。