機器學習–聚類（五種主要聚類算法）

原博文：

聚類是一種機器學習技術(shù)，它涉及到數(shù)據(jù)點的分組。給定一組數(shù)據(jù)點，我們可以使用聚類算法將每個數(shù)據(jù)點劃分為一個特定的組。理論上，同一組中的數(shù)據(jù)點應(yīng)該具有相似的屬性和/或特征，而不同組中的數(shù)據(jù)點應(yīng)該具有高度不同的屬性和/或特征。聚類是一種無監(jiān)督學習的方法，是許多領(lǐng)域中常用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

在數(shù)據(jù)科學中，我們可以使用聚類分析從我們的數(shù)據(jù)中獲得一些有價值的見解。在這篇文章中，我們將研究5種流行的聚類算法以及它們的優(yōu)缺點。

K-MEANS聚類算法

K-Means聚類算法可能是大家最熟悉的聚類算法。它出現(xiàn)在很多介紹性的數(shù)據(jù)科學和機器學習課程中。在代碼中很容易理解和實現(xiàn)！請看下面的圖表。

K-Means聚類

1.首先，我們選擇一些類/組來使用并隨機地初始化它們各自的中心點。要想知道要使用的類的數(shù)量，最好快速地查看一下數(shù)據(jù)，并嘗試識別任何不同的分組。中心點是與每個數(shù)據(jù)點向量相同長度的向量，在上面的圖形中是“X”。

2.每個數(shù)據(jù)點通過計算點和每個組中心之間的距離進行分類，然后將這個點分類為最接近它的組。

3.基于這些分類點，我們通過取組中所有向量的均值來重新計算組中心。

4.對一組迭代重復這些步驟。你還可以選擇隨機初始化組中心幾次，然后選擇那些看起來對它提供了最好結(jié)果的來運行。

K-Means聚類算法的優(yōu)勢在于它的速度非常快，因為我們所做的只是計算點和群中心之間的距離;它有一個線性復雜度O(n)。

另一方面，K-Means也有幾個缺點。首先，你必須選擇有多少組/類。這并不是不重要的事，理想情況下，我們希望它能幫我們解決這些問題，因為它的關(guān)鍵在于從數(shù)據(jù)中獲得一些啟示。K-Means也從隨機選擇的聚類中心開始，因此在不同的算法運行中可能產(chǎn)生不同的聚類結(jié)果。因此，結(jié)果可能是不可重復的，并且缺乏一致性。其他聚類方法更加一致。

K-Medians是另一種與K-Means有關(guān)的聚類算法，除了使用均值的中間值來重新計算組中心點以外，這種方法對離群值的敏感度較低（因為使用中值），但對于較大的數(shù)據(jù)集來說，它要慢得多，因為在計算中值向量時，每次迭代都需要進行排序。

均值偏移聚類算法

均值偏移（Mean shift）聚類算法是一種基于滑動窗口（sliding-window）的算法，它試圖找到密集的數(shù)據(jù)點。而且，它還是一種基于中心的算法，它的目標是定位每一組群/類的中心點，通過更新中心點的候選點來實現(xiàn)滑動窗口中的點的平均值。這些候選窗口在后期處理階段被過濾，以消除幾乎重復的部分，形成最后一組中心點及其對應(yīng)的組。請看下面的圖表。

單滑動窗口的均值偏移聚類

1.為了解釋這一變化，我們將考慮二維空間中的一組點（就像上面的例子）。我們從一個以點C（隨機選擇）為中心的圓形滑窗開始，以半徑r為內(nèi)核。均值偏移是一種爬山算法（hill climbing algorithm），它需要在每個步驟中反復地將這個內(nèi)核移動到一個更高的密度區(qū)域，直到收斂。

2.在每一次迭代中，滑動窗口會移向密度較高的區(qū)域，將中心點移動到窗口內(nèi)的點的平均值（因此得名）。滑動窗口中的密度與它內(nèi)部的點的數(shù)量成比例。自然地，通過移向窗口中點的平均值，它將逐漸向更高的點密度方向移動。

3.我們繼續(xù)根據(jù)均值移動滑動窗口，直到?jīng)]有方向移動可以容納內(nèi)核中的更多點。看看上面的圖表;我們一直在移動這個圓，直到我們不再增加密度（也就是窗口中的點數(shù)）。

4.步驟1到3的過程是用許多滑動窗口完成的，直到所有的點都位于一個窗口內(nèi)。當多個滑動窗口重疊的時候，包含最多點的窗口會被保留。然后，數(shù)據(jù)點根據(jù)它們所在的滑動窗口聚類。

下面展示了從端到端所有滑動窗口的整個過程的演示。每個黑點代表一個滑動窗口的質(zhì)心，每個灰色點都是一個數(shù)據(jù)點。

均值偏移聚類的整個過程

與K-Means聚類相比，均值偏移不需要選擇聚類的數(shù)量，因為它會自動地發(fā)現(xiàn)這一點。這是一個巨大的優(yōu)勢。聚類中心收斂于最大密度點的事實也是非常可取的，因為它非常直觀地理解并適合于一種自然數(shù)據(jù)驅(qū)動。缺點是選擇窗口大小/半徑r是非常關(guān)鍵的，所以不能疏忽。

DBSCAN聚類算法

DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一個比較有代表性的基于密度的聚類算法，類似于均值轉(zhuǎn)移聚類算法，但它有幾個顯著的優(yōu)點。

DBSCAN笑臉聚類

1.DBSCAN以一個從未訪問過的任意起始數(shù)據(jù)點開始。這個點的鄰域是用距離ε（所有在ε距離的點都是鄰點）來提取的。

2.如果在這個鄰域中有足夠數(shù)量的點（根據(jù) minPoints），那么聚類過程就開始了，并且當前的數(shù)據(jù)點成為新聚類中的第一個點。否則，該點將被標記為噪聲（稍后這個噪聲點可能會成為聚類的一部分）。在這兩種情況下，這一點都被標記為“訪問（visited）”。

3.對于新聚類中的第一個點，其ε距離附近的點也會成為同一聚類的一部分。這一過程使在ε鄰近的所有點都屬于同一個聚類，然后重復所有剛剛添加到聚類組的新點。

4.步驟2和步驟3的過程將重復，直到聚類中的所有點都被確定，就是說在聚類附近的所有點都已被訪問和標記。

5.一旦我們完成了當前的聚類，就會檢索并處理一個新的未訪問點，這將導致進一步的聚類或噪聲的發(fā)現(xiàn)。這個過程不斷地重復，直到所有的點被標記為訪問。因為在所有的點都被訪問過之后，每一個點都被標記為屬于一個聚類或者是噪音。

DBSCAN比其他聚類算法有一些優(yōu)勢。首先，它不需要一個預(yù)設(shè)定的聚類數(shù)量。它還將異常值識別為噪聲，而不像均值偏移聚類算法，即使數(shù)據(jù)點非常不同，它也會將它們放入一個聚類中。此外，它還能很好地找到任意大小和任意形狀的聚類。

DBSCAN的主要缺點是，當聚類具有不同的密度時，它的性能不像其他聚類算法那樣好。這是因為當密度變化時，距離閾值ε和識別鄰近點的minPoints的設(shè)置會隨著聚類的不同而變化。這種缺點也會出現(xiàn)在非常高維的數(shù)據(jù)中，因為距離閾值ε變得難以估計。

使用高斯混合模型（GMM）的期望最大化（EM）聚類

K-Means的一個主要缺點是它對聚類中心的平均值的使用很簡單幼稚。我們可以通過看下面的圖片來了解為什么這不是最好的方法。在左邊看起來很明顯的是，有兩個圓形的聚類，不同的半徑以相同的平均值為中心。K-Means無法處理，因為聚類的均值非常接近。在聚類不是循環(huán)的情況下，K-Means也會失敗，這也是使用均值作為聚類中心的結(jié)果。

K-Means的兩個失敗案例

高斯混合模型（GMMs）比K-Means更具靈活性。使用高斯混合模型，我們可以假設(shè)數(shù)據(jù)點是高斯分布的;比起說它們是循環(huán)的，這是一個不那么嚴格的假設(shè)。這樣，我們就有兩個參數(shù)來描述聚類的形狀：平均值和標準差！以二維的例子為例，這意味著聚類可以采用任何形式的橢圓形狀（因為在x和y方向上都有標準差）。因此，每個高斯分布可歸屬于一個單獨的聚類。

為了找到每個聚類的高斯分布的參數(shù)（例如平均值和標準差）我們將使用一種叫做期望最大化（EM）的優(yōu)化算法。看看下面的圖表，就可以看到高斯混合模型是被擬合到聚類上的。然后，我們可以繼續(xù)進行期望的過程——使用高斯混合模型實現(xiàn)最大化聚類。

使用高斯混合模型來期望最大化聚類

1.我們首先選擇聚類的數(shù)量（如K-Means所做的那樣），然后隨機初始化每個聚類的高斯分布參數(shù)。通過快速查看數(shù)據(jù)，可以嘗試為初始參數(shù)提供良好的猜測。注意，在上面的圖表中可以看到，這并不是100%的必要，因為高斯開始時的表現(xiàn)非常不好，但是很快就被優(yōu)化了。

2.給定每個聚類的高斯分布，計算每個數(shù)據(jù)點屬于特定聚類的概率。一個點離高斯中心越近，它就越有可能屬于那個聚類。這應(yīng)該是很直觀的，因為有一個高斯分布，我們假設(shè)大部分的數(shù)據(jù)都離聚類中心很近。

3.基于這些概率，我們?yōu)楦咚狗植加嬎阋唤M新的參數(shù)，這樣我們就能最大程度地利用聚類中的數(shù)據(jù)點的概率。我們使用數(shù)據(jù)點位置的加權(quán)和來計算這些新參數(shù)，權(quán)重是屬于該特定聚類的數(shù)據(jù)點的概率。為了解釋這一點，我們可以看一下上面的圖，特別是黃色的聚類作為例子。分布在第一次迭代中是隨機的，但是我們可以看到大多數(shù)的黃色點都在這個分布的右邊。當我們計算一個由概率加權(quán)的和，即使在中心附近有一些點，它們中的大部分都在右邊。因此，自然分布的均值更接近于這些點。我們還可以看到，大多數(shù)點都是“從右上角到左下角”。因此，標準差的變化是為了創(chuàng)造一個更符合這些點的橢圓，從而使概率的總和最大化。

步驟2和3被迭代地重復，直到收斂，在那里，分布不會從迭代到迭代這個過程中變化很多。

使用高斯混合模型有兩個關(guān)鍵的優(yōu)勢。首先，高斯混合模型在聚類協(xié)方差方面比K-Means要靈活得多;根據(jù)標準差參數(shù)，聚類可以采用任何橢圓形狀，而不是局限于圓形。K-Means實際上是高斯混合模型的一個特例，每個聚類在所有維度上的協(xié)方差都接近0。其次，根據(jù)高斯混合模型的使用概率，每個數(shù)據(jù)點可以有多個聚類。因此，如果一個數(shù)據(jù)點位于兩個重疊的聚類的中間，通過說X%屬于1類，而y%屬于2類，我們可以簡單地定義它的類。

層次聚類算法

層次聚類算法實際上分為兩類：自上而下或自下而上。自下而上的算法在一開始就將每個數(shù)據(jù)點視為一個單一的聚類，然后依次合并（或聚集）類，直到所有類合并成一個包含所有數(shù)據(jù)點的單一聚類。因此，自下而上的層次聚類稱為合成聚類或HAC。聚類的層次結(jié)構(gòu)用一棵樹（或樹狀圖）表示。樹的根是收集所有樣本的唯一聚類，而葉子是只有一個樣本的聚類。在繼續(xù)學習算法步驟之前，先查看下面的圖表。

合成聚類

1.我們首先將每個數(shù)據(jù)點作為一個單獨的聚類進行處理。如果我們的數(shù)據(jù)集有X個數(shù)據(jù)點，那么我們就有了X個聚類。然后我們選擇一個度量兩個聚類之間距離的距離度量。作為一個示例，我們將使用平均連接（average linkage）聚類，它定義了兩個聚類之間的距離，即第一個聚類中的數(shù)據(jù)點和第二個聚類中的數(shù)據(jù)點之間的平均距離。

2.在每次迭代中，我們將兩個聚類合并為一個。將兩個聚類合并為具有最小平均連接的組。比如說根據(jù)我們選擇的距離度量，這兩個聚類之間的距離最小，因此是最相似的，應(yīng)該組合在一起。

3.重復步驟2直到我們到達樹的根。我們只有一個包含所有數(shù)據(jù)點的聚類。通過這種方式，我們可以選擇最終需要多少個聚類，只需選擇何時停止合并聚類，也就是我們停止建造這棵樹的時候！

層次聚類算法不要求我們指定聚類的數(shù)量，我們甚至可以選擇哪個聚類看起來最好。此外，該算法對距離度量的選擇不敏感;它們的工作方式都很好，而對于其他聚類算法，距離度量的選擇是至關(guān)重要的。層次聚類方法的一個特別好的用例是，當?shù)讓訑?shù)據(jù)具有層次結(jié)構(gòu)時，你可以恢復層次結(jié)構(gòu);而其他的聚類算法無法做到這一點。層次聚類的優(yōu)點是以低效率為代價的，因為它具有O(n3)的時間復雜度，與K-Means和高斯混合模型的線性復雜度不同。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的机器学习--聚类（五种主要聚类算法）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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