数据挖掘-聚类分析（Python实现K-Means算法）

古城微笑少年丶 2022-05-19 00:08 331阅读 0赞

## 概念： ##

聚类分析（cluster analysis ）：是一组将研究对象分为相对同质的群组（clusters）的统计分析技术。聚类分析也叫分类分析，或者数值分类。聚类的输入是一组未被标记的样本，聚类根据数据自身的距离或者相似度将其划分成若干个组，划分的原则是组内距离最小化而组间（外部）距离最大化。聚类和分类的不同在于：聚类所要求划分的类是未知的。

聚类度量的方法：分距离和相似度来度量。

![70][]

![70 1][]

聚类研究分析的方法：

> 1.层次的方法（hierarchical method）
> 
> 2.划分方法（partitioning method）
> 
> 3.基于密度的方法（density-based method）DBSCAN
> 
> 4.基于网格的方法（grid-based method）
> 
> 5.基于模型的方法（model-based method）

![70 2][]

## •K-Means 算法： ##

•受离群点的影响较大，由于其迭代每次的中心点到全部样本点的距离和的平均值。

> 优点：
> 
>  *  原理简单
>  *  速度快
>  *  对大数据集有比较好的伸缩性
> 
> 缺点：
> 
>  *  需要指定聚类 数量K
>  *  对异常值敏感
>  *  对初始值敏感

•以欧式距离来衡量距离大小，使用**误差平方和（****Sum of the Squared** **Error,SSE****）**作为聚类的目标函数：

![70 3][]

k表示k个聚类中心，ci表示第几个中心，dist表示的是欧几里得距离

![70 4][]

•算法步骤；

> •创建k个点作为初始的质心点（随机选择）
> 
> •当任意一个点的簇分配结果发生改变时
> 
> • 对数据集中的每一个数据点
> 
> • 对每一个质心
> 
> • 计算质心与数据点的距离
> 
> • 将数据点分配到距离最近的簇
> 
> • 对每一个簇，计算簇中所有点的均值，并将均值作为质心

•算法图示：

![70 5][]

### Python代码实现K-Means算法： ###

有关于 .A 的用法：（flatten()函数可以是多维数组变换成一维数组， .A 则使得matrix 形式转化成 array 形式）

>>> import numpy as np
    >>> demo_a2 = np.mat([[1,3],[2,4],[3,5]])
    >>> demo_a2
    matrix([[1, 3],
            [2, 4],
            [3, 5]])
    >>> demo_a2.flatten()
    matrix([[1, 3, 2, 4, 3, 5]])
    >>> demo_a2.flatten().A
    array([[1, 3, 2, 4, 3, 5]])
    >>> demo_a2.flatten().A[0]
    array([1, 3, 2, 4, 3, 5])

**\#定义一个欧式距离的函数 :**

#coding=gbk
    '''
    Created on 2018年7月17日
    
    @author: Administrator
    '''
    # k-means 算法python实现
    
    import numpy as np
    
    def distEclud(vecA, vecB):  #定义一个欧式距离的函数  
        return np.sqrt(np.sum(np.power(vecA - vecB, 2)))
    
    print('----test_distEclud-----')
    vecA, vecB = np.array([1,1]), np.array([2,1])
    distance = distEclud(vecA, vecB)
    print(distance) # 1.0 计算两点之间的距离

**随机设置k个中心点：**

def randCent(dataSet, k):  #第一个中心点初始化
        n = np.shape(dataSet)[1]
        centroids = np.mat(np.zeros([k, n]))  #创建 k 行 n列的全为0 的矩阵
        for j in range(n):
            minj = np.min(dataSet[:,j]) #获得第j 列的最小值
            rangej = float(np.max(dataSet[:,j]) - minj)     #得到最大值与最小值之间的范围
            #获得输出为 K 行 1 列的数据，并且使其在数据集范围内
            centroids[:,j] = np.mat(minj + rangej * np.random.rand(k, 1))   
        return centroids
    
    
    print('----test_randCent-----')
    dataSet1 = np.array([[1,2],[3,6],[8,10],[12,23],[10,11],[13,18]])
    print(dataSet1[1,:])
    r = randCent(dataSet1, 2)
    print(r)
    # [[ 8.83544015 16.75467081]
    #  [ 2.85688493  4.4799291 ]]
    
    np.random.seed(666) #定义一个随机种子
    rand_num = np.random.rand(3,1)  #输出为3行1 列,随机数在 0 到 1 之间
    print(rand_num)
    # [[0.70043712]
    #  [0.84418664]
    #  [0.67651434]]
    test = np.mat(np.zeros([3,2]))  #此处的 zeros 函数内的矩阵形式需要加中括号 []
    print(test)  
    # [[0. 0.]    #打印出 3行 2列的矩阵
    #  [0. 0.]
    #  [0. 0.]]

**定义KMeans函数：**

#参数： dataSet 样本点， K 簇的个数
    #disMeans 距离， 默认使用欧式距离， createCent 初始中心点的选取
    def KMeans(dataSet, k, distMeans= distEclud, createCent= randCent):
        m = np.shape(dataSet)[0]    #得到行数，即为样本数
        clusterAssement = np.mat(np.zeros([m,2]))   #创建 m 行 2 列的矩阵
        centroids = createCent(dataSet, k)      #初始化 k 个中心点
        clusterChanged = True
        while clusterChanged:
            clusterChanged = False
            for i in range(m):
                minDist = np.inf   #初始设置值为无穷大
                minIndex = -1
                for j in range(k):
                    #  j循环，先计算 k个中心点到1 个样本的距离，在进行i循环，计算得到k个中心点到全部样本点的距离
                    distJ = distMeans(centroids[j,:], dataSet[i,:])
                    if distJ <  minDist:
                        minDist = distJ #更新 最小的距离
                        minIndex = j 
                if clusterAssement[i,0] != minIndex:    #如果中心点不变化的时候， 则终止循环
                    clusterChanged = True 
                clusterAssement[i,:] = minIndex, minDist**2 #将 index，k值中心点 和  最小距离存入到数组中
            print(centroids)
            
            #更换中心点的位置
            for cent in range(k):
                ptsInClust = dataSet[np.nonzero(clusterAssement[:,0].A == cent)[0]] #分别找到属于k类的数据
                centroids[cent,:] = np.mean(ptsInClust, axis = 0)   #得到更新后的中心点
        return centroids, clusterAssement 
                              
    
    print('------test-----')
    demo_a = np.array([[1,0],[0,2],[0,0]])
    non_a = np.nonzero(demo_a)
    print(demo_a)
    # [[1 0]
    #  [0 2]
    #  [0 0]]
    print(non_a)
    # 输出的第一行为 行数， 第二行为列数,意思为   1行1列的数 和2行2列的数 是非0数
    # (array([0, 1], dtype=int64), array([0, 1], dtype=int64))
    
    demo_a1 = np.array([1,2,0,0,1]) #当只有一行时
    non_a1 = np.nonzero(demo_a1)
    print(non_a1)   # (array([0, 1, 4], dtype=int64),)  
    
    a1 = np.inf > 100000
    print(a1)       #  True   inf 是无穷大
    
    print('---------- test KMeans ---------')
    dataSet = np.mat([[ 0.90796996 ,5.05836784],[-2.88425582 , 0.01687006],
                        [-3.3447423 , -1.01730512],[-0.32810867 , 0.48063528]
                        ,[ 1.90508653 , 3.530091  ]
                        ,[-3.00984169 , 2.66771831]
                        ,[-3.38237045 ,-2.9473363 ]
                        ,[ 2.22463036 ,-1.37361589]
                        ,[ 2.54391447 , 3.21299611]
                        ,[-2.46154315 , 2.78737555]
                        ,[-3.38237045 ,-2.9473363 ]
                        ,[ 2.8692781  ,-2.54779119]
                        ,[ 2.6265299  , 3.10868015]
                        ,[-2.46154315 , 2.78737555]
                        ,[-3.38237045 ,-2.9473363 ]
                        ,[ 2.80293085 ,-2.7315146 ]])
    print(dataSet)
    center, cluster = KMeans(dataSet, 2)
    print('----')
    print(center)
    # [[-1.05990877 -2.0619207 ]
    #  [-0.03469197  2.95415497]]
    print('----')
    print(cluster)
    # [[ 1.          5.31632331]
    #  [ 0.          7.6496132 ]
    #  [ 0.          6.31168598]
    #  [ 1.          6.20439303]
    #  [ 1.          4.09444295]
    #  [ 1.          8.93356179]
    #  [ 0.          6.17778903]
    #  [ 0.         11.26196081]
    #  [ 1.          6.71620993]
    #  [ 1.          5.917422  ]
    #  [ 0.          6.17778903]
    #  [ 0.         15.67457959]
    #  [ 1.          7.1059799 ]
    #  [ 1.          5.917422  ]
    #  [ 0.          6.17778903]
    #  [ 0.         15.36988591]]

### python中kmeans的参数： ###

sklearn.cluster.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'
        )
    n_clusters: 簇的个数，即你想聚成几类
    init: 初始簇中心的获取方法
    n_init: 获取初始簇中心的更迭次数，为了弥补初始质心的影响，算法默认会初始10个质心，实现算法，然后返回最好的结果。
    max_iter: 最大迭代次数（因为kmeans算法的实现需要迭代）
    tol: 容忍度，即kmeans运行准则收敛的条件
    precompute_distances:是否需要提前计算距离，这个参数会在空间和时间之间做权衡，如果是True 会把整个距离矩阵都放到内存中，auto 会默认在数据样本大于featurs*samples 的数量大于12e6 的时候False,False 时核心实现的方法是利用Cpython 来实现的
    verbose: 冗长模式（不太懂是啥意思，反正一般不去改默认值）
    random_state: 随机生成簇中心的状态条件。
    copy_x: 对是否修改数据的一个标记，如果True，即复制了就不会修改数据。bool 在scikit-learn 很多接口中都会有这个参数的，就是是否对输入数据继续copy 操作，以便不修改用户的输入数据。这个要理解Python 的内存机制才会比较清楚。
    n_jobs: 并行设置
    algorithm: kmeans的实现算法，有：’auto’, ‘full’, ‘elkan’, 其中 ‘full’表示用EM方式实现
    虽然有很多参数，但是都已经给出了默认值。所以我们一般不需要去传入这些参数,参数的。可以根据实际需要来调用。

•基于密度的方法;

•DBSCAN （需要指定半径，对离群点的寻找作用很大）:

> •大圆：核心对象，周围半径内有多于min\_samples 个点
> 
> •小圆：非核心对象，周围少于 min\_samples 个点
> 
> •黑色点：离群点和任何核心对象之间的距离大于阈值

![70 6][]![70 7][]

参考：[https://blog.csdn.net/taoyanqi8932/article/details/53727841][https_blog.csdn.net_taoyanqi8932_article_details_53727841]

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[70 1]: /images/20220519/4c23531b4b9c43b397e5e696d16767e6.png
[70 2]: /images/20220519/3cb70af872f84f9ea0184ee8b881d0e4.png
[70 3]: /images/20220519/e1e7353efbb84120b14a1d064625a523.png
[70 4]: /images/20220519/54d56de1a1ba49cb95573af7e2294af1.png
[70 5]: /images/20220519/41e92d188cd64c5dad9a9f17f6900714.png
[70 6]: https://img-blog.csdn.net/20180717214453358?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 7]: /images/20220519/3c54b363cf4048419efede23e2e10bb8.png
[https_blog.csdn.net_taoyanqi8932_article_details_53727841]: https://blog.csdn.net/taoyanqi8932/article/details/53727841
[2000_G]: https://mp.weixin.qq.com/s/sP4JgGWkCzpgwKr9sAV2_Q
[2020]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487704&idx=1&sn=5f4b2127c4d49fd07ae072a0721424a2&chksm=e8036fc2df74e6d489c4aa9b06f917ef7cee6027f13e150fca53cf79d5d188d4ccc1af49e098&scene=21#wechat_redirect
[Spring Boot]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487798&idx=2&sn=ac0293b996521b872a9dba5fbb3e65e6&chksm=e8036e2cdf74e73aba104a9a994a5b2e31483e8dcbe0f1d9936f6d5173b887e1560f59d2819c&scene=21#wechat_redirect
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