大数据十大经典算法之k-means

Posted 2023-04-07

大数据十大经典算法之k-meansk均值算法基本思想：K均值算法是基于质心的技术。它以K为输入参数，把n个对象集合分为k个簇，使得簇内的相似度

参考技术A 大数据十大经典算法之k-means
k均值算法基本思想：
K均值算法是基于质心的技术。它以K为输入参数，把n个对象集合分为k个簇，使得簇内的相似度高，簇间的相似度低。
处理流程：
1、为每个聚类确定一个初始聚类中心，这样就有k个初始聚类中心；
2、将样本按照最小距离原则分配到最邻近聚类
3、使用每个聚类中的样本均值作为新的聚类中心
4、重复步骤2直到聚类中心不再变化
5、结束，得到K个聚类
划分聚类方法对数据集进行聚类时的要点：
1、选定某种距离作为数据样本间的相似性度量，通常选择欧氏距离。
2、选择平价聚类性能的准则函数
用误差平方和准则函数来评价聚类性能。
3、相似度的计算分局一个簇中对象的平均值来进行
K均值算法的优点：
如果变量很大，K均值比层次聚类的计算速度较快（如果K很小）；
与层次聚类相比，K均值可以得到更紧密的簇，尤其是对于球状簇；
对于大数据集，是可伸缩和高效率的；
算法尝试找出使平方误差函数值最小的k个划分。当结果簇是密集的，而簇与簇之间区别明显的时候，效果较好。
K均值算法缺点：
最后结果受初始值的影响。解决办法是多次尝试取不同的初始值。
可能发生距离簇中心m最近的样本集为空的情况，因此m得不到更新。这是一个必须处理的问题，但我们忽略该问题。
不适合发现非凸面形状的簇，并对噪声和离群点数据较敏感，因为少量的这类数据能够对均值产生较大的影响。
K均值算法的改进：
样本预处理。计算样本对象量量之间的距离，筛掉与其他所有样本那的距离和最大的m个对象。
初始聚类中心的选择。选用簇中位置最靠近中心的对象，这样可以避免孤立点的影响。
K均值算法的变种：
K众数（k-modes）算法，针对分类属性的度量和更新质心的问题而改进。
EM（期望最大化）算法
k-prototype算法
这种算法不适合处理离散型属性，但是对于连续型具有较好的聚类效果。
k均值算法用途：
图像分割；
衡量足球队的水平；
下面给出代码：
#include <iostream>
#include <vector>
//auther archersc
//JLU
namespace CS_LIB

using namespace std;
class Kmean

public:
//输入格式
//数据数量N 维度D
//以下N行，每行D个数据
istream& loadData(istream& in);
//输出格式
//聚类的数量CN
//中心维度CD
//CN行，每行CD个数据
//数据数量DN
//数据维度DD
//以下DN组，每组的第一行两个数值DB, DDis
//第二行DD个数值
//DB表示改数据属于一类，DDis表示距离改类的中心的距离
ostream& saveData(ostream& out);
//设置中心的数量
void setCenterCount(const size_t count);
size_t getCenterCount() const;
//times最大迭代次数， maxE ,E(t)表示第t次迭代后的平方误差和，当|E(t+1) - E(t)| < maxE时终止
void clustering(size_t times, double maxE);

private:
double calDistance(vector<double>& v1, vector<double>& v2);

private:
vector< vector<double> > m_Data;
vector< vector<double> > m_Center;
vector<double> m_Distance;
vector<size_t> m_DataBelong;
vector<size_t> m_DataBelongCount;
;

#include "kmean.h"

#include <ctime>
#include <cmath>
#include <cstdlib>
//auther archersc
//JLU

namespace CS_LIB

template<class T>
void swap(T& a, T& b)

T c = a;
a = b;
b = c;


istream& Kmean::loadData(istream& in)

if (!in)
cout << "input error" << endl;
return in;

size_t dCount, dDim;
in >> dCount >> dDim;
m_Data.resize(dCount);
m_DataBelong.resize(dCount);
m_Distance.resize(dCount);
for (size_t i = 0; i < dCount; ++i)
m_Data[i].resize(dDim);
for (size_t j = 0; j < dDim; ++j)
in >> m_Data[i][j];


return in;

ostream& Kmean::saveData(ostream& out)

if (!out)
cout << "output error" << endl;
return out;

out << m_Center.size();
if (m_Center.size() > 0)
out << << m_Center[0].size();
else
out << << 0;
out << endl << endl;
for (size_t i = 0; i < m_Center.size(); ++i)
for (size_t j = 0; j < m_Center[i].size(); ++j)
out << m_Center[i][j] << ;

out << endl;

out << endl;
out << m_Data.size();
if (m_Data.size() > 0)
out << << m_Data[0].size();
else
out << << 0;
out << endl << endl;
for (size_t i = 0; i < m_Data.size(); ++i)
out << m_DataBelong[i] << << m_Distance[i] << endl;
for (size_t j = 0; j < m_Data[i].size(); ++j)
out << m_Data[i][j] << ;

out << endl << endl;

return out;

void Kmean::setCenterCount(const size_t count)

m_Center.resize(count);
m_DataBelongCount.resize(count);

size_t Kmean::getCenterCount() const

return m_Center.size();

void Kmean::clustering(size_t times, double maxE)

srand((unsigned int)time(NULL));
//随机从m_Data中选取m_Center.size()个不同的样本点作为初始中心。
size_t *pos = new size_t[m_Data.size()];
size_t i, j, t;
for (i = 0; i < m_Data.size(); ++i)
pos[i] = i;

for (i = 0; i < (m_Data.size() << 1); ++i)
size_t s1 = rand() % m_Data.size();
size_t s2 = rand() % m_Data.size();
swap(pos[s1], pos[s2]);

for (i = 0; i < m_Center.size(); ++i)
m_Center[i].resize(m_Data[pos[i]].size());
for (j = 0; j < m_Data[pos[i]].size(); ++j)
m_Center[i][j] = m_Data[pos[i]][j];


delete []pos;
double currE, lastE;
for (t = 0; t < times; ++t)
for (i = 0; i < m_Distance.size(); ++i)
m_Distance[i] = LONG_MAX;
for (i = 0; i < m_DataBelongCount.size(); ++i)
m_DataBelongCount[i] = 0;
currE = 0.0;
for (i = 0; i < m_Data.size(); ++i)
for (j = 0; j < m_Center.size(); ++j)
double dis = calDistance(m_Data[i], m_Center[j]);
if (dis < m_Distance[i])
m_Distance[i] = dis;
m_DataBelong[i] = j;


currE += m_Distance[i];
m_DataBelongCount[m_DataBelong[i]]++;

cout << currE << endl;
if (t == 0 || fabs(currE - lastE) > maxE)
lastE = currE;
else
break;
for (i = 0; i < m_Center.size(); ++i)
for (j = 0; j < m_Center[i].size(); ++j)
m_Center[i][j] = 0.0;


for (i = 0; i < m_DataBelong.size(); ++i)
for (j = 0; j < m_Data[i].size(); ++j)
m_Center[m_DataBelong[i]][j] += m_Data[i][j] / m_DataBelongCount[m_DataBelong[i]];




double Kmean::calDistance(vector<double>& v1, vector<double>& v2)

double result = 0.0;
for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
result += (v1[i] - v2[i]) * (v1[i] - v2[i]);

return pow(result, 1.0 / v1.size());
//return sqrt(result);


#include <iostream>
#include <fstream>
#include "kmean.h"
using namespace std;
using namespace CS_LIB;

int main()

ifstream in("in.txt");
ofstream out("out.txt");
Kmean kmean;
kmean.loadData(in);
kmean.setCenterCount(4);
kmean.clustering(1000, 0.000001);
kmean.saveData(out);

return 0;

经典回顾 | 十大数据挖掘领域的经典算法

来源：51cto.com

国际权威的学术组织the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月评选出了数据挖掘领域的十大经典算法：C4.5, k-Means, SVM, Apriori, EM, PageRank, AdaBoost, kNN, Naive Bayes, and CART.

不仅仅是选中的十大算法，其实参加评选的18种算法，实际上随便拿出一种来都可以称得上是经典算法，它们在数据挖掘领域都产生了极为深远的影响。

1. C4.5

C4.5算法是机器学习算法中的一种分类决策树算法,其核心算法是ID3算法. C4.5算法继承了ID3算法的优点，并在以下几方面对ID3算法进行了改进：

1) 用信息增益率来选择属性，克服了用信息增益选择属性时偏向选择取值多的属性的不足；

2) 在树构造过程中进行剪枝；

3) 能够完成对连续属性的离散化处理；

4) 能够对不完整数据进行处理。

C4.5算法有如下优点：产生的分类规则易于理解，准确率较高。其缺点是：在构造树的过程中，需要对数据集进行多次的顺序扫描和排序，因而导致算法的低效。

2. The k-means algorithm 即K-Means算法

k-means algorithm算法是一个聚类算法，把n的对象根据他们的属性分为k个分割，k < n。它与处理混合正态分布的最大期望算法很相似，因为他们都试图找到数据中自然聚类的中心。它假设对象属性来自于空间向量，并且目标是使各个群组内部的均方误差总和最小。

3. Support vector machines

支持向量机，英文为Support Vector Machine，简称SV机（论文中一般简称SVM）。它是一种監督式學習的方法，它广泛的应用于统计分类以及回归分析中。支持向量机将向量映射到一个更高维的空间里，在这个空间里建立有一个最大间隔超平面。在分开数据的超平面的两边建有两个互相平行的超平面。分隔超平面使两个平行超平面的距离最大化。假定平行超平面间的距离或差距越大，分类器的总误差越小。一个极好的指南是C.J.C Burges的《模式识别支持向量机指南》。van der Walt 和 Barnard 将支持向量机和其他分类器进行了比较。

4. The Apriori algorithm

Apriori算法是一种最有影响的挖掘布尔关联规则频繁项集的算法。其核心是基于两阶段频集思想的递推算法。该关联规则在分类上属于单维、单层、布尔关联规则。在这里，所有支持度大于最小支持度的项集称为频繁项集，简称频集。

5. 最大期望(EM)算法

在统计计算中，最大期望（EM，Expectation–Maximization）算法是在概率（probabilistic）模型中寻找参数最大似然估计的算法，其中概率模型依赖于无法观测的隐藏变量（Latent Variabl）。最大期望经常用在机器学习和计算机视觉的数据集聚（Data Clustering）领域。

6. PageRank

PageRank是Google算法的重要内容。2001年9月被授予美国专利，专利人是Google创始人之一拉里·佩奇（Larry Page）。因此，PageRank里的page不是指网页，而是指佩奇，即这个等级方法是以佩奇来命名的。

PageRank根据网站的外部链接和内部链接的数量和质量俩衡量网站的价值。PageRank背后的概念是，每个到页面的链接都是对该页面的一次投票，被链接的越多，就意味着被其他网站投票越多。这个就是所谓的“链接流行度”——衡量多少人愿意将他们的网站和你的网站挂钩。PageRank这个概念引自学术中一篇论文的被引述的频度——即被别人引述的次数越多，一般判断这篇论文的权威性就越高。

7. AdaBoost

Adaboost是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，然后把这些弱分类器集合起来，构成一个更强的最终分类器 (强分类器)。其算法本身是通过改变数据分布来实现的，它根据每次训练集之中每个样本的分类是否正确，以及上次的总体分类的准确率，来确定每个样本的权值。将修改过权值的新数据集送给下层分类器进行训练，最后将每次训练得到的分类器最后融合起来，作为最后的决策分类器。

8. kNN: k-nearest neighbor classification

K最近邻(k-Nearest Neighbor，KNN)分类算法，是一个理论上比较成熟的方法，也是最简单的机器学习算法之一。该方法的思路是：如果一个样本在特征空间中的k个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。

9. Naive Bayes

在众多的分类模型中，应用最为广泛的两种分类模型是决策树模型(Decision Tree Model)和朴素贝叶斯模型（Naive Bayesian Model，NBC）。 朴素贝叶斯模型发源于古典数学理论，有着坚实的数学基础，以及稳定的分类效率。同时，NBC模型所需估计的参数很少，对缺失数据不太敏感，算法也比较简单。理论上，NBC模型与其他分类方法相比具有最小的误差率。但是实际上并非总是如此，这是因为NBC模型假设属性之间相互独立，这个假设在实际应用中往往是不成立的，这给NBC模型的正确分类带来了一定影响。在属性个数比较多或者属性之间相关性较大时，NBC模型的分类效率比不上决策树模型。而在属性相关性较小时，NBC模型的性能最为良好。

10. CART: 分类与回归树

CART, Classification and Regression Trees。 在分类树下面有两个关键的思想。第一个是关于递归地划分自变量空间的想法；第二个想法是用验证数据进行剪枝。

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