模糊聚类-模拟花朵聚类

Posted 2021-03-24 bokeyuancj

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了模糊聚类-模拟花朵聚类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　模糊聚类

模糊聚类与K-means算法有异曲同工之妙，两者各有优劣势，K-means算法的介绍连接：https://www.cnblogs.com/bokeyuancj/p/11460883.html

基本概念：

聚类分析是多元统计分析的一种，也是无监督模式识别的一个重要分支，在模式分类图像处理和模糊规则处理等众多领域中获得最广泛的应用。它把一个没有类别标记的样本按照某种准则划分为若干子集，使相似的样本尽可能归于一类，而把不相似的样本划分到不同的类中。硬聚类把每个待识别的对象严格的划分某类中，具有非此即彼的性质，而模糊聚类建立了样本对类别的不确定描述，更能客观的反应客观世界，从而成为聚类分析的主流。模糊聚类算法是一种基于函数最优方法的聚类算法，使用微积分计算技术求最优代价函数，在基于概率算法的聚类方法中将使用概率密度函数，为此要假定合适的模型，模糊聚类算法的向量可以同时属于多个聚类，从而摆脱上述问题。

模糊聚类分析算法大致可分为三类

（1）分类数不定，根据不同要求对事物进行动态聚类，此类方法是基于模糊等价矩阵聚类的，称为模糊等价矩阵动态聚类分析法。

（2）分类数给定，寻找出对事物的最佳分析方案，此类方法是基于目标函数聚类的，称为模糊C均值聚类。

（3）在摄动有意义的情况下，根据模糊相似矩阵聚类，此类方法称为基于摄动的模糊聚类分析法

本次仅介绍模糊C均值聚类。

隶属度概念：

模糊聚类算法是一种基于划分的聚类算法，它的思想就是使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大，而不同簇之间的相似度最小。模糊聚类（FCM）对数据进行模糊划分，使用隶属度表示一个样本属于某一类的程度。

隶属度函数是表示一个对象x 隶属于集合A 的程度的函数，通常记做μA(x)，其自变量范围是所有可能属于集合A 的对象（即集合A 所在空间中的所有点），取值范围是[0,1]，即0<=μA(x)，μA(x)<=1。μA(x)=1 表示x 完全隶属于集合A，相当于传统集合概念上的x∈A。一个定义在空间X={x}上的隶属度函数就定义了一个模糊集合A，或者叫定义在论域X={x}上的模糊子集A’。对于有限个对象x1，x2，……，xn 模糊集合A’可以表示为：

技术图片

在聚类的问题中，可以把聚类生成的簇看成模糊集合，因此，每个样本点隶属于簇的隶属度就是[0，1]区间里面的值。

模糊聚类算法步骤：

（1）确定类别数，参数，和迭代停止误差以及最大迭代次数

（2）初始化聚类中心P

（3）计算初始的距离矩阵D

（4）按下列公式更新隶属度

（5）按公式更新隶属度

（6）更新聚类中心

（7）重新计算距离矩阵，并计算目标函数的值

（8）若达到最大迭代次数或者前后两次的J的绝对差小于迭代停止误差则停止，否则使用前后两次隶属度矩阵的差来判断。

（9）将样本点划分为隶属度最大的那一类。

数据样本：

花朵数据
数据量	1500（条）
数据属性（影响变量）	5（种）
属性1	花片长度(厘米)
属性2	花片宽度(厘米)
属性3	花瓣长度(厘米)
属性4	花瓣宽度(厘米)
属性5	花叶数量（片）

技术图片

代码部分：

  1 #include "stdio.h"
  2 #include "stdlib.h"
  3 #include "time.h"
  4 #include "math.h"
  5 #include "vector"
  6 using namespace std;
  7 
  8 
  9 #define alpha 0.5   //分裂比
 10 #define dimNum 3   //维数为3
 11 #define cNum 10  //初始类数
 12 #define expectNum 10  //预期成类数
 13 #define minNum 3     //小于此数则不能成类
 14 #define splitVar 1.2  //大于此数分裂
 15 #define connectVar 0.3  //小于此数合并
 16 #define connectNum 2   //每次迭代允许合并的最大数
 17 #define iterNum 30  //迭代次数为30
 18 
 19 
 20 
 21 
 22 typedef vector<double> doubleVector;
 23 typedef vector<doubleVector> clusterVector;
 24 
 25 
 26 void ISODATA(vector<doubleVector> srcInf);  //开始引擎
 27 vector<doubleVector> getInf();  //获取文件数据
 28 int getClusterNum(vector<doubleVector> mCenter, doubleVector srcInf); //归类
 29 double getEUCdis(doubleVector t1, doubleVector t2);  //计算欧式距离
 30 doubleVector get_wMean(clusterVector cluster);  //计算均值向量
 31 doubleVector averageDist(doubleVector mCenter, clusterVector cluster); //计算Wi中所有样本距其相应聚类中心的平均距离
 32 doubleVector allAvgDist(vector<doubleVector> avgDis); //计算所以样本距其相应的聚类中心的平均值
 33 doubleVector getDeviation(doubleVector mCenter, clusterVector cluster); //计算没一聚类的标准偏差
 34 double getMaxDev(doubleVector Dev);  //获取最大标准偏差
 35 doubleVector clusterSplit(doubleVector wMean, double sigma);  //进行分裂
 36 doubleVector eachCenterDist(doubleVector t1, doubleVector t2, int i, int j);  //计算聚类中心两两间的距离
 37 vector<doubleVector> distSort(vector<doubleVector> eachDist);   //按距离进行排序
 38 vector<doubleVector> Union(vector<doubleVector> mCenter, vector<doubleVector> sortDist); //进行合并
 39 void Output(vector<clusterVector> cluster);  //结果输出
 40 
 41 
 42 //主函数
 43 int main()
 44 {
 45 vector<doubleVector> srcInf;
 46 srcInf = getInf();
 47 ISODATA(srcInf);
 48 }
 49 
 50 
 51 
 52 
 53 //迭代开始引擎
 54 void ISODATA(vector<doubleVector> srcInf)
 55 {
 56 int c;
 57 int i, j;
 58 int iter=1;
 59 int lable;
 60 vector<doubleVector> mCenter;
 61 vector<clusterVector> cluster;
 62 vector<doubleVector> wMean;   //均值向量
 63 vector<doubleVector> avgDist;
 64 doubleVector all_AvgDis;
 65 vector<doubleVector> devVal;  //标准偏差值
 66 vector<doubleVector> eachDist;  //两两聚类中心距离
 67 vector<doubleVector> eachDistSort;  //两两聚类中心距离
 68 doubleVector devMax;   //最大偏差值
 69 double sigma;
 70 
 71 
 72 start:
 73 printf("聚类开始:
");
 74 
 75 
 76 
 77 
 78 //初始化类聚中心
 79 step1:   
 80 srand(time(NULL));
 81 int chooseNum;
 82 if(mCenter.empty()==NULL)
 83 mCenter.clear();
 84 
 85 
 86 mCenter.resize(cNum);
 87 for(i=0; i<cNum; i++)
 88 {
 89 chooseNum = rand()%(int)(srcInf.size()/cNum)+i*(srcInf.size()/cNum);
 90 for(j=0; j<dimNum; j++)
 91 mCenter[i].push_back(srcInf[chooseNum][j]);
 92 }
 93 
 94 
 95 
 96 
 97 //根据距离归类
 98 step2:  
 99 if(cluster.empty()==NULL)
100 cluster.clear();
101 
102 
103 cluster.resize(2*cNum);
104 for(i=0; i<srcInf.size(); i++)
105 {
106 lable = getClusterNum(mCenter, srcInf[i]);
107 cluster[lable].push_back(srcInf[i]);
108 }
109 
110 
111 
112 
113 //舍弃过小的类
114 step3: 
115 for(i=0; i<cluster.size(); )
116 {
117 if(cluster[i].size()<minNum)
118 {
119 cluster.erase(cluster.begin()+i);
120 if(i<mCenter.size())
121 mCenter.erase(mCenter.begin()+i);
122 }
123 
124 else
125 i++;
126 }
127 c = mCenter.size();
128 
129 
130 
131 
132 //更新均值向量
133 step4:  
134 if(wMean.empty()==NULL)
135 wMean.clear();
136 
137 
138 for(i=0; i<cluster.size(); i++)
139 wMean.push_back(get_wMean(cluster[i]));
140 
141 
142 
143 //获取各平均距离
144 step5:
145 if(avgDist.empty()==NULL)
146 avgDist.clear();
147 
148 
149 for(i=0; i<cluster.size(); i++)   //计算Wi中所有样本距其相应聚类中心的平均距离
150 avgDist.push_back(averageDist(mCenter[i], cluster[i]));  
151 
152 
153 all_AvgDis = allAvgDist(avgDist);  //计算所以样本距其相应的聚类中心的平均值
154 
155 
156 
157 
158 //判断分裂、合并及迭代的运算步骤
159 step7:
160 if(iter==iterNum)   //步骤(1)
161 {
162 
163 // connectNum = 0;
164 goto step11;
165 }
166 
167 
168 if(c<=expectNum/2)//步骤(2)
169 goto step8;
170 
171 
172 if(iter%2==0 || c>=2*expectNum)//步骤(3)
173 goto step11;
174 
175 
176 
177 
178 //计算标准偏差
179 step8:
180 if(devVal.empty()==NULL)
181 devVal.clear();
182 
183 
184 for(i=0; i<mCenter.size(); i++)   //计算标准偏差
185 devVal.push_back(getDeviation(mCenter[i], cluster[i]));
186 
187 
188 
189 
190 
191 
192 //计算标准偏差中偏差最大值
193 step9:
194 if(devMax.empty()==NULL)
195 devMax.clear();
196 
197 
198 for(i=0; i<devVal.size(); i++)    //计算标准偏差中偏差最大值
199 devMax.push_back(getMaxDev(devVal[i]));
200 
201 
202 
203 
204 
205 
206 //进行分裂
207 step10:
208 for(i=0; i<devMax.size(); i++)
209 {
210 if((devMax[i]>splitVar && cluster[i].size()>2*minNum) || c<=expectNum/2)
211 {
212 sigma = alpha*devMax[i];
213 mCenter.push_back(clusterSplit(wMean[i], sigma));
214 mCenter.push_back(clusterSplit(wMean[i], -sigma));
215 mCenter.erase(mCenter.begin()+i);
216 }
217 }
218 c = mCenter.size();
219 
220 
221 
222 
223 //计算两两聚类间的距离
224 step11:
225 if(eachDist.empty()==NULL)
226 eachDist.clear();
227 
228 
229 for(i=0; i<mCenter.size()-1; i++)
230 for(j=i+1; j<mCenter.size(); j++)
231 { 
232 eachDist.push_back(eachCenterDist(mCenter[i], mCenter[j], i, j));
233 
234 }
235 
236 
237 
238 
239 
240 
241 //对距离进行排序
242 step12:
243 eachDistSort = distSort(eachDist);
244 
245 
246 
247 
248 //进行合并
249 step13:
250 mCenter = Union(mCenter, eachDistSort);
251 c = mCenter.size();
252 
253 
254 
255 
256 step14:
257 if(iter==iterNum)
258 {
259 printf("类聚结果为：
");
260 Output(cluster);
261 system("pause");
262 return;
263 }
264 
265 
266 else
267 {
268 iter++;
269 goto step2;
270 }
271 
272 
273 }
274 
275 
276 
277 
278 
279 
280 //获取文件数据
281 vector<doubleVector> getInf()
282 {
283 int i=1;
284 vector<doubleVector> dst;
285 doubleVector temp;
286 double num;
287 
288 FILE *fp;
289 
290 fp = fopen("Inf.txt","r");
291 //fp = fopen("Inf.txt", "r");
292 
293 if(fp == NULL)
294 printf("Open file error!
");
295 
296 //读取文件的数据
297 while(fscanf(fp, "%lf", &num)!=EOF)
298 {
299 temp.push_back(num);
300 if(i%3==0)
301 {
302 dst.push_back(temp);
303 temp.clear();
304 }
305 i++;
306 }
307 
308 fclose(fp);
309 
310 return dst;
311 }
312 
313 
314 
315 
316 //计算欧式距离
317 double getEUCdis(doubleVector t1, doubleVector t2)
318 {
319 double distance=0;
320 int i;
321 
322 
323 for(i=0; i<dimNum; i++)
324 distance += (t1[i]-t2[i])*(t1[i]-t2[i]);
325 
326 
327 return sqrtf(distance);
328 }
329 
330 
331 //根据初始中心进行归类
332 int getClusterNum(vector<doubleVector> mCenter, doubleVector srcInf)
333 {
334 double Dis;
335 double minDis = getEUCdis(mCenter[0], srcInf);
336 int i, lable=0;
337 
338 
339 for(i=1; i<mCenter.size(); i++)
340 {
341 Dis = getEUCdis(mCenter[i], srcInf);
342 if(Dis<minDis)
343 {
344 minDis = Dis;
345 lable = i;
346 }
347 }
348 
349 
350 return lable;
351 }
352 
353 
354 
355 
356 //计算均值向量
357 doubleVector get_wMean(clusterVector cluster)
358 {
359 doubleVector wMean;
360 double temp[dimNum];
361 int i, j;
362 
363 
364 for(i=0; i<dimNum; i++)
365 temp[i] = 0;
366 
367 
368 for(i=0; i<cluster.size(); i++)
369 for(j=0; j<dimNum; j++)
370 temp[j] += cluster[i][j];
371 
372 
373 for(i=0; i<dimNum; i++)
374 temp[i] = temp[i]/cluster.size();
375 
376 
377 wMean.clear();
378 for(i=0; i<dimNum; i++)
379 wMean.push_back(temp[i]);
380 
381 
382 return wMean;
383 }
384 
385 
386 
387 
388 //计算类聚中心m[i]的平均距离
389 doubleVector averageDist(doubleVector mCenter, clusterVector cluster)
390 {
391   int i, j;
392   doubleVector avgDist;
393 double temp[dimNum]={0};
394 
395 
396 for(i=0; i<cluster.size(); i++)
397 for(j=0; j<dimNum; j++)
398 temp[j] += cluster[i][j];
399 
400 
401 for(i=0; i<dimNum; i++)
402 temp[i] /= cluster.size();
403 
404 
405 avgDist.clear();
406 for(i=0; i<dimNum; i++)
407 avgDist.push_back(temp[i]);
408 
409 
410 return avgDist;
411 
412 
413 }
414 
415 
416 
417 
418 //计算所以样本距其相应的聚类中心的平均值
419 doubleVector allAvgDist(vector<doubleVector> avgDis)
420 {
421 int i, j;
422 doubleVector allAvg;
423 double temp[dimNum]={0};
424 
425 
426 for(i=0; i<avgDis.size(); i++)
427 for(j=0; j<dimNum; j++)
428 temp[j] += (i+1)*avgDis[i][j];
429 
430 
431 for(i=0; i<dimNum; i++)
432 temp[i] /= avgDis.size();
433 
434 
435 allAvg.clear();
436 for(i=0; i<dimNum; i++)
437 allAvg.push_back(temp[i]);
438 
439 
440 return allAvg;
441 }
442 
443 
444 
445 
446 //计算每一个聚类的标准偏差
447 doubleVector getDeviation(doubleVector mCenter, clusterVector cluster)
448 {
449 doubleVector dst;
450 int i, j;
451 double temp[dimNum]={0};
452 
453 
454 for(i=0; i<cluster.size(); i++)
455 for(j=0; j<dimNum; j++)
456 temp[j] += (cluster[i][j]-mCenter[j])*(cluster[i][j]-mCenter[j]);
457 
458 
459 dst.clear();
460 for(i=0; i<dimNum; i++)
461 {
462 temp[i] /= cluster.size();
463 temp[i] = sqrtf(temp[i]);
464 dst.push_back(temp[i]);
465 }
466 
467 
468 return dst;
469 
470 
471 }
472 
473 
474 
475 
476 //获取最大标准偏差
477 double getMaxDev(doubleVector Dev)
478 {
479 int i;
480 double max = Dev[0];
481 
482 
483 for(i=1; i<dimNum; i++)
484 if(max<Dev[i])
485 max = Dev[i];
486 
487 
488 return max;
489 }
490 
491 
492 
493 
494 //进行分裂
495 doubleVector clusterSplit(doubleVector wMean, double sigma)
496 {
497 int i;
498 doubleVector newMean;
499 double temp;
500 
501 
502 newMean.clear();
503 for(i=0; i<dimNum; i++)
504 {
505 temp = wMean[i]+sigma;
506 newMean.push_back(temp);
507 }
508 
509 
510 return newMean;
511 }
512 
513 
514 
515 
516 //计算聚类中心两两间的距离
517 doubleVector eachCenterDist(doubleVector t1, doubleVector t2, int x, int y)
518 {
519 int i;
520 doubleVector dist;
521 
522 
523 dist.clear();
524 for(i=0; i<dimNum; i++)
525 dist.push_back(fabs(t1[i]-t2[i]));
526 
527 
528 dist.push_back(x);
529 dist.push_back(y);
530 
531 
532 return dist;
533 }
534 
535 
536 
537 
538 //按距离进行排序
539 vector<doubleVector> distSort(vector<doubleVector> eachDist)
540 {
541 int i, j, l;
542 vector<doubleVector> dst;
543 doubleVector maxEachDist;
544 double temp;
545 doubleVector tempVet;
546 double min;
547 
548 
549 dst = eachDist;
550 //寻找每组中最大的距离
551 maxEachDist.clear();
552 for(i=0; i<eachDist.size(); i++)
553 maxEachDist.push_back(getMaxDev(eachDist[i]));
554 
555 
556 //排序
557 for(i=0; i<maxEachDist.size(); i++)
558 {
559 l=i;
560 min = maxEachDist[i]; 
561 for(j=i+1; j<maxEachDist.size(); j++)
562 if(min>maxEachDist[j])
563 {
564 min = maxEachDist[j];
565 l = j;
566 }
567 
568 
569 temp = maxEachDist[i];
570 maxEachDist[i] = maxEachDist[l];
571 maxEachDist[l] = temp;
572 
573 
574 tempVet = dst[i];
575 dst[i] = dst[l];
576 dst[l] = tempVet;
577 }
578 
579 
580 return dst;
581 }
582 
583 
584 
585 
586 //进行合并
587 vector<doubleVector> Union(vector<doubleVector> mCenter, vector<doubleVector> sortDist)
588 {
589 int i[connectNum], j[connectNum];
590 int m, n, delNum=0;
591 vector<doubleVector> newCenter;
592 vector<int> del;
593 doubleVector temp;
594 
595 
596 newCenter = mCenter;
597 
598 
599 //可联合数量
600 for(m=0; m<connectNum; m++)
601 for(n=0; n<dimNum; n++)
602 if(sortDist[m][n]<connectVar)
603 {
604 delNum++;
605 break;
606 }
607 
608 
609 //进行联合
610 for(m=0; m<delNum; m++)
611 {
612 i[m] = sortDist[m][dimNum];
613 j[m] = sortDist[m][dimNum+1];
614 
615 
616 for(n=0; n<dimNum; n++)
617 temp.push_back((i[m]*mCenter[i[m]][n]+j[m]*mCenter[j[m]][n])/(i[m]+j[m]));
618 
619 
620 newCenter.push_back(temp);
621 }
622 
623 
624 //避免重复删除
625 for(m=0; m<delNum; m++)
626 del.push_back(i[m]);
627 
628 for(n=0; n<delNum; n++)
629 {
630 if(del[n]==j[n])
631 continue;
632 else
633 del.push_back(j[n]);
634 }
635 
636 
637 
638   for(m=0; m<del.size(); m++)
639   newCenter[del[m]].clear();
640 
641 
642 for(m=0; m<newCenter.size(); )
643 {
644 if(newCenter[m].empty())
645 newCenter.erase(newCenter.begin()+m);
646 else
647 m++;
648 }
649 
650 return newCenter;
651 }
652 
653 
654 
655 
656 //结果输出
657 void Output(vector<clusterVector> cluster)
658 {
659 int i, j, k;
660 
661 
662 for(i=0; i<cluster.size(); i++)
663 {
664 printf("
类聚%d :
", i+1);
665 for(j=0; j<cluster[i].size(); j++)
666 printf("%lf  %lf  %lf  %lf  %lf
", cluster[i][j][0], cluster[i][j][1], cluster[i][j][2], cluster[i][j][4], cluster[i][j][5]);
667 }
668 }