k值聚類演算法

① K-Means聚類演算法

        所謂聚類演算法是指將一堆沒有標簽的數據自動劃分成幾類的方法，屬於無監督學習方法，這個方法要保證同一類的數據有相似的特徵，如下圖所示：

        根據樣本之間的距離或者說是相似性（親疏性），把越相似、差異越小的樣本聚成一類（簇），最後形成多個簇，使同一個簇內部的樣本相似度高，不同簇之間差異性高。

相關概念：

K值 ：要得到的簇的個數

質心 ：每個簇的均值向量，即向量各維取平均即可

距離量度 ：常用歐幾里得距離和餘弦相似度（先標准化）

演算法流程：

1、首先確定一個k值，即我們希望將數據集經過聚類得到k個集合。

2、從數據集中隨機選擇k個數據點作為質心。

3、對數據集中每一個點，計算其與每一個質心的距離（如歐式距離），離哪個質心近，就劃分到那個質心所屬的集合。

4、把所有數據歸好集合後，一共有k個集合。然後重新計算每個集合的質心。

5、如果新計算出來的質心和原來的質心之間的距離小於某一個設置的閾值（表示重新計算的質心的位置變化不大，趨於穩定，或者說收斂），我們可以認為聚類已經達到期望的結果，演算法終止。

6、如果新質心和原質心距離變化很大，需要迭代3~5步驟。

K-Means採用的啟發式方式很簡單，用下面一組圖就可以形象的描述:

        上圖a表達了初始的數據集，假設k=2。在圖b中，我們隨機選擇了兩個k類所對應的類別質心，即圖中的紅色質心和藍色質心，然後分別求樣本中所有點到這兩個質心的距離，並標記每個樣本的類別為和該樣本距離最小的質心的類別，如圖c所示，經過計算樣本和紅色質心和藍色質心的距離，我們得到了所有樣本點的第一輪迭代後的類別。此時我們對我們當前標記為紅色和藍色的點分別求其新的質心，如圖d所示，新的紅色質心和藍色質心的位置已經發生了變動。圖e和圖f重復了我們在圖c和圖d的過程，即將所有點的類別標記為距離最近的質心的類別並求新的質心。最終我們得到的兩個類別如圖f。

坐標系中有六個點：

1、我們分兩組，令K等於2，我們隨機選擇兩個點：P1和P2

2、通過勾股定理計算剩餘點分別到這兩個點的距離：

3、第一次分組後結果：

        組A：P1

        組B：P2、P3、P4、P5、P6

4、分別計算A組和B組的質心：

        A組質心還是P1=（0，0）

        B組新的質心坐標為：P哥=（（1+3+8+9+10）/5，（2+1+8+10+7）/5）=（6.2，5.6）

5、再次計算每個點到質心的距離：

6、第二次分組結果：

        組A：P1、P2、P3

        組B：P4、P5、P6

7、再次計算質心：

        P哥1=（1.33，1） 

        P哥2=（9，8.33）

8、再次計算每個點到質心的距離：

9、第三次分組結果：

        組A：P1、P2、P3

        組B：P4、P5、P6

可以發現，第三次分組結果和第二次分組結果一致，說明已經收斂，聚類結束。

優點：

1、原理比較簡單，實現也是很容易，收斂速度快。

2、當結果簇是密集的，而簇與簇之間區別明顯時, 它的效果較好。

3、主要需要調參的參數僅僅是簇數k。

缺點：

1、K值需要預先給定，很多情況下K值的估計是非常困難的。

2、K-Means演算法對初始選取的質心點是敏感的，不同的隨機種子點得到的聚類結果完全不同 ，對結果影響很大。

3、對噪音和異常點比較的敏感。用來檢測異常值。

4、採用迭代方法， 可能只能得到局部的最優解，而無法得到全局的最優解 。

1、K值怎麼定？

        答：分幾類主要取決於個人的經驗與感覺，通常的做法是多嘗試幾個K值，看分成幾類的結果更好解釋，更符合分析目的等。或者可以把各種K值算出的 E 做比較，取最小的 E 的K值。

2、初始的K個質心怎麼選？

        答：最常用的方法是隨機選，初始質心的選取對最終聚類結果有影響，因此演算法一定要多執行幾次，哪個結果更reasonable，就用哪個結果。 當然也有一些優化的方法，第一種是選擇彼此距離最遠的點，具體來說就是先選第一個點，然後選離第一個點最遠的當第二個點，然後選第三個點，第三個點到第一、第二兩點的距離之和最小，以此類推。第二種是先根據其他聚類演算法（如層次聚類）得到聚類結果，從結果中每個分類選一個點。

3、關於離群值？

        答：離群值就是遠離整體的，非常異常、非常特殊的數據點，在聚類之前應該將這些「極大」「極小」之類的離群數據都去掉，否則會對於聚類的結果有影響。但是，離群值往往自身就很有分析的價值，可以把離群值單獨作為一類來分析。

4、單位要一致！

        答：比如X的單位是米，Y也是米，那麼距離算出來的單位還是米，是有意義的。但是如果X是米，Y是噸，用距離公式計算就會出現「米的平方」加上「噸的平方」再開平方，最後算出的東西沒有數學意義，這就有問題了。

5、標准化

        答：如果數據中X整體都比較小，比如都是1到10之間的數，Y很大，比如都是1000以上的數，那麼，在計算距離的時候Y起到的作用就比X大很多，X對於距離的影響幾乎可以忽略，這也有問題。因此，如果K-Means聚類中選擇歐幾里德距離計算距離，數據集又出現了上面所述的情況，就一定要進行數據的標准化（normalization），即將數據按比例縮放，使之落入一個小的特定區間。

參考文章： 聚類、K-Means、例子、細節

② K-means原理、優化、應用

K-Means演算法是無監督的聚類演算法，它實現起來比較簡單，聚類效果也不錯，因此應用很廣泛。K-Means演算法有大量的變體，本文就從最傳統的K-Means演算法講起，在其基礎上講述K-Means的優化變體方法。包括初始化優化K-Means++, 距離計算優化elkan K-Means演算法和大數據情況下的優化Mini Batch K-Means演算法。

    K-Means演算法的思想很簡單，對於給定的樣本集，按照樣本之間的距離大小，將樣本集劃分為K個簇。讓簇內的點盡量緊密的連在一起，而讓簇間的距離盡量的大。

1、隨機選擇K個聚類的初始中心。

2、對任意一個樣本點，求其到K個聚類中心的距離，將樣本點歸類到距離最小的中心的聚類。

3、每次迭代過程中，利用均值等方法更新各個聚類的中心點（質心）。

4、對K個聚類中心，利用2、3步迭代更新後，如果位置點變化很小(可以設置閾值)，則認為達到穩定狀態，迭代結束。（畫圖時，可以對不同的聚類塊和聚類中心可選擇不同的顏色標注）

1、原理比較簡單，實現也是很容易，收斂速度快。 

2、聚類效果較優。 

3、演算法的可解釋度比較強。 

4、主要需要調參的參數僅僅是簇數k。

1、K值的選取不好把握 

2、對於不是凸的數據集比較難收斂 

3、如果各隱含類別的數據不平衡，比如各隱含類別的數據量嚴重失衡，或者各隱含類別的方差不同，則聚類效果不佳。 

4、 最終結果和初始點的選擇有關，容易陷入局部最優。

5、對噪音和異常點比較的敏感。

    解決K-Means演算法對 初始簇心 比較敏感的問題，二分K-Means演算法是一種弱化初始質心的一種演算法。

1、將所有樣本數據作為一個簇放到一個隊列中。

2、從隊列中選擇一個簇進行K-Means演算法劃分，劃分為兩個子簇，並將子簇添加到隊列中。

3、循環迭代步驟2操作，直到中止條件達到(聚簇數量、最小平方誤差、迭代次數等)。

4、隊列中的簇就是最終的分類簇集合。

從隊列中選擇劃分聚簇的規則一般有兩種方式；分別如下：

1、對所有簇計算誤差和SSE(SSE也可以認為是距離函數的一種變種)，選擇SSE最大的聚簇進行劃分操作(優選這種策略)。

2、選擇樣本數據量最多的簇進行劃分操作：

    由於 K-means 演算法的分類結果會受到初始點的選取而有所區別，因此有提出這種演算法的改進: K-means++ 。

    其實這個演算法也只是對初始點的選擇有改進而已，其他步驟都一樣。初始質心選取的基本思路就是， 初始的聚類中心之間的相互距離要盡可能的遠 。

1、隨機選取一個樣本作為第一個聚類中心 c1；

2、計算每個樣本與當前已有類聚中心最短距離（即與最近一個聚類中心的距離），用 D(x)表示；這個值越大，表示被選取作為聚類中心的概率較大；最後，用輪盤法選出下一個聚類中心。

3、重復步驟2，知道選出 k 個聚類中心。

4、選出初始點（聚類中心），就繼續使用標準的 k-means 演算法了。

盡管K-Means++在聚類中心的計算上浪費了很多時間，但是在迭代過程中，k-mean 本身能快速收斂，因此演算法實際上降低了計算時間。

      解決K-Means++演算法缺點而產生的一種演算法；主要思路是改變每次遍歷時候的取樣規則，並非按照K-Means++演算法每次遍歷只獲取一個樣本，而是每次獲取K個樣本，重復該取樣操作O(logn)次 (n是樣本的個數) ，然後再將這些抽樣出來的樣本聚類出K個點，最後使用這K個點作為K-Means演算法的初始聚簇中心點。實踐證明：一般5次重復採用就可以保證一個比較好的聚簇中心點。

1、在N個樣本中抽K個樣本，一共抽logn次，形成一個新的樣本集，一共有Klogn個數據。

2、在新數據集中使用K-Means演算法，找到K個聚簇中心。

3、把這K個聚簇中心放到最初的樣本集中，作為初始聚簇中心。

4、原數據集根據上述初始聚簇中心，再用K-Means演算法計算出最終的聚簇。

        Canopy屬於一種『粗』聚類演算法，即使用一種簡單、快捷的距離計算方法將數據集分為若干可重疊的子集canopy，這種演算法不需要指定k值、但精度較低，可以結合K-means演算法一起使用：先由Canopy演算法進行粗聚類得到k個質心，再使用K-means演算法進行聚類。

 1、將原始樣本集隨機排列成樣本列表L=[x1,x2,...,xm]（排列好後不再更改），根據先驗知識或交叉驗證調參設定初始距離閾值T1、T2，且T1>T2 。

2、從列表L中隨機選取一個樣本P作為第一個canopy的質心，並將P從列表中刪除。

3、從列表L中隨機選取一個樣本Q，計算Q到所有質心的距離，考察其中最小的距離D：

如果D≤T1，則給Q一個弱標記，表示Q屬於該canopy，並將Q加入其中；

如果D≤T2，則給Q一個強標記，表示Q屬於該canopy，且和質心非常接近，所以將該canopy的質心設為所有強標記樣本的中心位置，並將Q從列表L中刪除；

 如果D>T1，則Q形成一個新的聚簇，並將Q從列表L中刪除。

4、重復第三步直到列表L中元素個數為零。

1、『粗』距離計算的選擇對canopy的分布非常重要，如選擇其中某個屬性、其他外部屬性、歐式距離等。

2、當T2<D≤T1時，樣本不會從列表中被刪除，而是繼續參與下一輪迭代，直到成為新的質心或者某個canopy的強標記成員。

3、T1、T2的取值影響canopy的重疊率及粒度：當T1過大時，會使樣本屬於多個canopy，各個canopy間區別不明顯；當T2過大時，會減少canopy個數，而當T2過小時，會增加canopy個數，同時增加計算時間。

4、canopy之間可能存在重疊的情況，但是不會存在某個樣本不屬於任何canopy的情況。

5、Canopy演算法可以消除孤立點，即刪除包含樣本數目較少的canopy，往往這些canopy包含的是孤立點或噪音點。

    由於K-Means演算法存在初始聚簇中心點敏感的問題，常用使用Canopy+K-Means演算法混合形式進行模型構建。

1、先使用canopy演算法進行「粗」聚類得到K個聚類中心點。

2、K-Means演算法使用Canopy演算法得到的K個聚類中心點作為初始中心點，進行「細」聚類。

1、執行速度快(先進行了一次聚簇中心點選擇的預處理)；

2、不需要給定K值，應用場景多。

3、能夠緩解K-Means演算法對於初始聚類中心點敏感的問題。

    Mini Batch K-Means演算法是K-Means演算法的一種優化變種，採用 小規模的數據子集 (每次訓練使用的數據集是在訓練演算法的時候隨機抽取的數據子集) 減少計算時間 ，同時試圖優化目標函數；Mini Batch K-Means演算法可以減少K-Means演算法的收斂時間，而且產生的結果效果只是略差於標准K-Means演算法。

1、首先抽取部分數據集，使用K-Means演算法構建出K個聚簇點的模型。

2、繼續抽取訓練數據集中的部分數據集樣本數據，並將其添加到模型中，分配給距離最近的聚簇中心點。

3、更新聚簇的中心點值。

4、循環迭代第二步和第三步操作，直到中心點穩定或者達到迭代次數，停止計算操作。

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③ Kmeans聚類演算法簡介

由於具有出色的速度和良好的可擴展性，Kmeans聚類演算法算得上是最著名的聚類方法。Kmeans演算法是一個重復移動類中心點的過程，把類的中心點，也稱重心(centroids)，移動到其包含成員的平均位置，然後重新劃分其內部成員。k是演算法計算出的超參數，表示類的數量；Kmeans可以自動分配樣本到不同的類，但是不能決定究竟要分幾個類。k必須是一個比訓練集樣本數小的正整數。有時，類的數量是由問題內容指定的。例如，一個鞋廠有三種新款式，它想知道每種新款式都有哪些潛在客戶，於是它調研客戶，然後從數據里找出三類。也有一些問題沒有指定聚類的數量，最優的聚類數量是不確定的。後面我將會詳細介紹一些方法來估計最優聚類數量。

Kmeans的參數是類的重心位置和其內部觀測值的位置。與廣義線性模型和決策樹類似，Kmeans參數的最優解也是以成本函數最小化為目標。Kmeans成本函數公式如下：

μiμi是第kk個類的重心位置。成本函數是各個類畸變程度(distortions)之和。每個類的畸變程度等於該類重心與其內部成員位置距離的平方和。若類內部的成員彼此間越緊湊則類的畸變程度越小，反之，若類內部的成員彼此間越分散則類的畸變程度越大。求解成本函數最小化的參數就是一個重復配置每個類包含的觀測值，並不斷移動類重心的過程。首先，類的重心是隨機確定的位置。實際上，重心位置等於隨機選擇的觀測值的位置。每次迭代的時候，Kmeans會把觀測值分配到離它們最近的類，然後把重心移動到該類全部成員位置的平均值那裡。

2.1 根據問題內容確定

這種方法就不多講了，文章開篇就舉了一個例子。

2.2 肘部法則

如果問題中沒有指定kk的值，可以通過肘部法則這一技術來估計聚類數量。肘部法則會把不同kk值的成本函數值畫出來。隨著kk值的增大，平均畸變程度會減小；每個類包含的樣本數會減少，於是樣本離其重心會更近。但是，隨著kk值繼續增大，平均畸變程度的改善效果會不斷減低。kk值增大過程中，畸變程度的改善效果下降幅度最大的位置對應的kk值就是肘部。為了讓讀者看的更加明白，下面讓我們通過一張圖用肘部法則來確定最佳的kk值。下圖數據明顯可分成兩類：

從圖中可以看出，k值從1到2時，平均畸變程度變化最大。超過2以後，平均畸變程度變化顯著降低。因此最佳的k是2。

2.3 與層次聚類結合

經常會產生較好的聚類結果的一個有趣策略是，首先採用層次凝聚演算法決定結果粗的數目，並找到一個初始聚類，然後用迭代重定位來改進該聚類。

2.4 穩定性方法

穩定性方法對一個數據集進行2次重采樣產生2個數據子集，再用相同的聚類演算法對2個數據子集進行聚類，產生2個具有kk個聚類的聚類結果，計算2個聚類結果的相似度的分布情況。2個聚類結果具有高的相似度說明kk個聚類反映了穩定的聚類結構，其相似度可以用來估計聚類個數。採用次方法試探多個kk，找到合適的k值。

2.5 系統演化方法

系統演化方法將一個數據集視為偽熱力學系統，當數據集被劃分為kk個聚類時稱系統處於狀態kk。系統由初始狀態k=1k=1出發，經過分裂過程和合並過程，系統將演化到它的穩定平衡狀態 kiki ，其所對應的聚類結構決定了最優類數 kiki 。系統演化方法能提供關於所有聚類之間的相對邊界距離或可分程度，它適用於明顯分離的聚類結構和輕微重疊的聚類結構。

2.6 使用canopy演算法進行初始劃分

基於Canopy Method的聚類演算法將聚類過程分為兩個階段

(1) 聚類最耗費計算的地方是計算對象相似性的時候，Canopy Method在第一階段選擇簡單、計算代價較低的方法計算對象相似性，將相似的對象放在一個子集中，這個子集被叫做Canopy，通過一系列計算得到若干Canopy，Canopy之間可以是重疊的，但不會存在某個對象不屬於任何Canopy的情況，可以把這一階段看做數據預處理；

(2) 在各個Canopy內使用傳統的聚類方法(如Kmeans)，不屬於同一Canopy的對象之間不進行相似性計算。

從這個方法起碼可以看出兩點好處：首先，Canopy不要太大且Canopy之間重疊的不要太多的話會大大減少後續需要計算相似性的對象的個數；其次，類似於Kmeans這樣的聚類方法是需要人為指出K的值的，通過(1)得到的Canopy個數完全可以作為這個k值，一定程度上減少了選擇k的盲目性。

其他方法如貝葉斯信息准則方法(BIC)可參看文獻[4]。

選擇適當的初始質心是基本kmeans演算法的關鍵步驟。常見的方法是隨機的選取初始中心，但是這樣簇的質量常常很差。處理選取初始質心問題的一種常用技術是：多次運行，每次使用一組不同的隨機初始質心，然後選取具有最小SSE(誤差的平方和)的簇集。這種策略簡單，但是效果可能不好，這取決於數據集和尋找的簇的個數。

第二種有效的方法是，取一個樣本，並使用層次聚類技術對它聚類。從層次聚類中提取kk個簇，並用這些簇的質心作為初始質心。該方法通常很有效，但僅對下列情況有效：(1)樣本相對較小，例如數百到數千(層次聚類開銷較大)；(2) kk相對於樣本大小較小。

第三種選擇初始質心的方法，隨機地選擇第一個點，或取所有點的質心作為第一個點。然後，對於每個後繼初始質心，選擇離已經選取過的初始質心最遠的點。使用這種方法，確保了選擇的初始質心不僅是隨機的，而且是散開的。但是，這種方法可能選中離群點。此外，求離當前初始質心集最遠的點開銷也非常大。為了克服這個問題，通常該方法用於點樣本。由於離群點很少(多了就不是離群點了)，它們多半不會在隨機樣本中出現。計算量也大幅減少。

第四種方法就是上面提到的canopy演算法。

常用的距離度量方法包括：歐幾里得距離和餘弦相似度。兩者都是評定個體間差異的大小的。

歐氏距離是最常見的距離度量，而餘弦相似度則是最常見的相似度度量，很多的距離度量和相似度度量都是基於這兩者的變形和衍生，所以下面重點比較下兩者在衡量個體差異時實現方式和應用環境上的區別。

藉助三維坐標系來看下歐氏距離和餘弦相似度的區別：

從圖上可以看出距離度量衡量的是空間各點間的絕對距離，跟各個點所在的位置坐標(即個體特徵維度的數值)直接相關；而餘弦相似度衡量的是空間向量的夾角，更加的是體現在方向上的差異，而不是位置。如果保持A點的位置不變，B點朝原方向遠離坐標軸原點，那麼這個時候餘弦相似cosθ是保持不變的，因為夾角不變，而A、B兩點的距離顯然在發生改變，這就是歐氏距離和餘弦相似度的不同之處。

根據歐氏距離和餘弦相似度各自的計算方式和衡量特徵，分別適用於不同的數據分析模型：歐氏距離能夠體現個體數值特徵的絕對差異，所以更多的用於需要從維度的數值大小中體現差異的分析，如使用用戶行為指標分析用戶價值的相似度或差異；而餘弦相似度更多的是從方向上區分差異，而對絕對的數值不敏感，更多的用於使用用戶對內容評分來區分用戶興趣的相似度和差異，同時修正了用戶間可能存在的度量標准不統一的問題(因為餘弦相似度對絕對數值不敏感)。

因為歐幾里得距離度量會受指標不同單位刻度的影響，所以一般需要先進行標准化，同時距離越大，個體間差異越大；空間向量餘弦夾角的相似度度量不會受指標刻度的影響，餘弦值落於區間[-1,1]，值越大，差異越小。但是針對具體應用，什麼情況下使用歐氏距離，什麼情況下使用餘弦相似度？

從幾何意義上來說，n維向量空間的一條線段作為底邊和原點組成的三角形，其頂角大小是不確定的。也就是說對於兩條空間向量，即使兩點距離一定，他們的夾角餘弦值也可以隨意變化。感性的認識，當兩用戶評分趨勢一致時，但是評分值差距很大，餘弦相似度傾向給出更優解。舉個極端的例子，兩用戶只對兩件商品評分，向量分別為(3,3)和(5,5)，這兩位用戶的認知其實是一樣的，但是歐式距離給出的解顯然沒有餘弦值合理。

我們把機器學習定義為對系統的設計和學習，通過對經驗數據的學習，將任務效果的不斷改善作為一個度量標准。Kmeans是一種非監督學習，沒有標簽和其他信息來比較聚類結果。但是，我們還是有一些指標可以評估演算法的性能。我們已經介紹過類的畸變程度的度量方法。本節為將介紹另一種聚類演算法效果評估方法稱為輪廓系數(Silhouette Coefficient)。輪廓系數是類的密集與分散程度的評價指標。它會隨著類的規模增大而增大。彼此相距很遠，本身很密集的類，其輪廓系數較大，彼此集中，本身很大的類，其輪廓系數較小。輪廓系數是通過所有樣本計算出來的，計算每個樣本分數的均值，計算公式如下：

aa是每一個類中樣本彼此距離的均值，bb是一個類中樣本與其最近的那個類的所有樣本的距離的均值。

輸入：聚類個數k，數據集XmxnXmxn。

輸出：滿足方差最小標準的k個聚類。

(1) 選擇k個初始中心點，例如c[0]=X[0] , … , c[k-1]=X[k-1]；

(2) 對於X[0]….X[n]，分別與c[0]…c[k-1]比較，假定與c[i]差值最少，就標記為i；

(3) 對於所有標記為i點，重新計算c[i]={ 所有標記為i的樣本的每個特徵的均值}；

(4) 重復(2)(3)，直到所有c[i]值的變化小於給定閾值或者達到最大迭代次數。

Kmeans的時間復雜度：O(tkmn)，空間復雜度：O((m+k)n)。其中，t為迭代次數，k為簇的數目，m為樣本數，n為特徵數。

7.1 優點

(1). 演算法原理簡單。需要調節的超參數就是一個k。

(2). 由具有出色的速度和良好的可擴展性。

7.2 缺點

(1). 在 Kmeans 演算法中 kk 需要事先確定，這個 kk 值的選定有時候是比較難確定。

(2). 在 Kmeans 演算法中，首先需要初始k個聚類中心，然後以此來確定一個初始劃分，然後對初始劃分進行優化。這個初始聚類中心的選擇對聚類結果有較大的影響，一旦初始值選擇的不好，可能無法得到有效的聚類結果。多設置一些不同的初值，對比最後的運算結果，一直到結果趨於穩定結束。

(3). 該演算法需要不斷地進行樣本分類調整，不斷地計算調整後的新的聚類中心，因此當數據量非常大時，演算法的時間開銷是非常大的。

(4). 對離群點很敏感。

(5). 從數據表示角度來說，在 Kmeans 中,我們用單個點來對 cluster 進行建模，這實際上是一種最簡化的數據建模形式。這種用點來對 cluster 進行建模實際上就已經假設了各 cluster的數據是呈圓形(或者高維球形)或者方形等分布的。不能發現非凸形狀的簇。但在實際生活中，很少能有這種情況。所以在 GMM 中，使用了一種更加一般的數據表示，也就是高斯分布。

(6). 從數據先驗的角度來說，在 Kmeans 中,我們假設各個 cluster 的先驗概率是一樣的,但是各個 cluster 的數據量可能是不均勻的。舉個例子,cluster A 中包含了10000個樣本,cluster B 中只包含了100個。那麼對於一個新的樣本,在不考慮其與A cluster、 B cluster 相似度的情況,其屬於 cluster A 的概率肯定是要大於 cluster B的。

(7). 在 Kmeans 中，通常採用歐氏距離來衡量樣本與各個 cluster 的相似度。這種距離實際上假設了數據的各個維度對於相似度的衡量作用是一樣的。但在 GMM 中，相似度的衡量使用的是後驗概率 αcG(x|μc,∑c)αcG(x|μc,∑c) ，通過引入協方差矩陣,我們就可以對各維度數據的不同重要性進行建模。

(8). 在 Kmeans 中，各個樣本點只屬於與其相似度最高的那個 cluster ，這實際上是一種 hard clustering 。

針對Kmeans演算法的缺點，很多前輩提出了一些改進的演算法。例如 K-modes 演算法，實現對離散數據的快速聚類，保留了Kmeans演算法的效率同時將Kmeans的應用范圍擴大到離散數據。還有K-Prototype演算法，可以對離散與數值屬性兩種混合的數據進行聚類，在K-prototype中定義了一個對數值與離散屬性都計算的相異性度量標准。當然還有其它的一些演算法，這里我 就不一一列舉了。

Kmeans 與 GMM 更像是一種 top-down 的思想，它們首先要解決的問題是，確定 cluster 數量，也就是 k 的取值。在確定了 k 後,再來進行數據的聚類。而 hierarchical clustering 則是一種 bottom-up 的形式，先有數據，然後通過不斷選取最相似的數據進行聚類。

④ 八：聚類演算法K-means（20191223-29)

學習內容：無監督聚類演算法K-Means

k-means：模型原理、收斂過程、超參數的選擇

聚類分析是在數據中發現數據對象之間的關系，將數據進行分組，組內的相似性越大，組間的差別越大，則聚類效果越好。

不同的簇類型： 聚類旨在發現有用的對象簇，在現實中我們用到很多的簇的類型，使用不同的簇類型劃分數據的結果是不同的。

基於原型的： 簇是對象的集合，其中每個對象到定義該簇的 原型 的距離比其他簇的原型距離更近，如(b)所示的原型即為中心點，在一個簇中的數據到其中心點比到另一個簇的中心點更近。這是一種常見的 基於中心的簇 ，最常用的K-Means就是這樣的一種簇類型。 這樣的簇趨向於球形。

基於密度的 ：簇是對象的密度區域，(d)所示的是基於密度的簇，當簇不規則或相互盤繞，並且有早上和離群點事，常常使用基於密度的簇定義。

關於更多的簇介紹參考《數據挖掘導論》。

基本的聚類分析演算法

     1. K均值： 基於原型的、劃分的距離技術，它試圖發現用戶指定個數(K)的簇。

     2. 凝聚的層次距離： 思想是開始時，每個點都作為一個單點簇，然後，重復的合並兩個最靠近的簇，直到嘗試單個、包含所有點的簇。

     3. DBSCAN: 一種基於密度的劃分距離的演算法，簇的個數有演算法自動的確定，低密度中的點被視為雜訊而忽略，因此其不產生完全聚類。

不同的距離量度會對距離的結果產生影響，常見的距離量度如下所示：

優點：易於實現 

缺點：可能收斂於局部最小值，在大規模數據收斂慢

演算法思想：

選擇K個點作為初始質心 

repeat

    將每個點指派到最近的質心，形成K個簇 

    重新計算每個簇的質心  

until 簇不發生變化或達到最大迭代次數

這里的「重新計算每個簇的質心」，是根據目標函數來計算的，因此在開始時要考慮 距離度量和目標函數。

考慮歐幾里得距離的數據，使用 誤差平方和（Sum of the Squared Error,SSE） 作為聚類的目標函數，兩次運行K均值產生的兩個不同的簇集，使用SSE最小的那個。

k表示k個聚類中心，ci表示第幾個中心，dist表示的是歐幾里得距離。 

這里有一個問題就是為什麼，我們更新質心是讓所有的點的平均值，這里就是SSE所決定的。

k均值演算法非常簡單且使用廣泛，但是其有主要的兩個缺陷：

1. K值需要預先給定 ，屬於預先知識，很多情況下K值的估計是非常困難的，對於像計算全部微信用戶的交往圈這樣的場景就完全的沒辦法用K-Means進行。對於可以確定K值不會太大但不明確精確的K值的場景，可以進行迭代運算，然後找出Cost Function最小時所對應的K值，這個值往往能較好的描述有多少個簇類。

2. K-Means演算法對初始選取的聚類中心點是敏感的 ，不同的隨機種子點得到的聚類結果完全不同

3. K均值演算法並不是很所有的數據類型。 它不能處理非球形簇、不同尺寸和不同密度的簇，銀冠指定足夠大的簇的個數是他通常可以發現純子簇。

4. 對離群點的數據進行聚類時，K均值也有問題 ，這種情況下，離群點檢測和刪除有很大的幫助。

下面對初始質心的選擇進行討論：

當初始質心是隨機的進行初始化的時候，K均值的每次運行將會產生不同的SSE,而且隨機的選擇初始質心結果可能很糟糕，可能只能得到局部的最優解，而無法得到全局的最優解。

多次運行，每次使用一組不同的隨機初始質心，然後選擇一個具有最小的SSE的簇集。該策略非常的簡單，但是效果可能不是很好，這取決於數據集合尋找的簇的個數。

關於更多，參考《數據挖掘導論》

為了克服K-Means演算法收斂於局部最小值的問題，提出了一種 二分K-均值(bisecting K-means)

將所有的點看成是一個簇

當簇小於數目k時

    對於每一個簇

        計算總誤差

        在給定的簇上進行K-均值聚類,k值為2        計算將該簇劃分成兩個簇後總誤差

    選擇是的誤差最小的那個簇進行劃分

在原始的K-means演算法中，每一次的劃分所有的樣本都要參與運算，如果數據量非常大的話，這個時間是非常高的，因此有了一種分批處理的改進演算法。

使用Mini Batch（分批處理）的方法對數據點之間的距離進行計算。

Mini Batch的好處：不必使用所有的數據樣本，而是從不同類別的樣本中抽取一部分樣本來代表各自類型進行計算。n 由於計算樣本量少，所以會相應的減少運行時間n 但另一方面抽樣也必然會帶來准確度的下降。

聚類試圖將數據集中的樣本劃分為若干個通常是不相交的子集，每個子集成為一個「簇」。通過這樣的劃分，每個簇可能對應於一些潛在的概念（也就是類別）；需說明的是，這些概念對聚類演算法而言事先是未知的，聚類過程僅能自動形成簇結構，簇對應的概念語義由使用者來把握和命名。

聚類是無監督的學習演算法，分類是有監督的學習演算法。所謂有監督就是有已知標簽的訓練集（也就是說提前知道訓練集里的數據屬於哪個類別），機器學習演算法在訓練集上學習到相應的參數，構建模型，然後應用到測試集上。而聚類演算法是沒有標簽的，聚類的時候，需要實現的目標只是把相似的東西聚到一起。

聚類的目的是把相似的樣本聚到一起，而將不相似的樣本分開，類似於「物以類聚」，很直觀的想法是同一個簇中的相似度要盡可能高，而簇與簇之間的相似度要盡可能的低。

性能度量大概可分為兩類： 一是外部指標， 二是內部指標 。

外部指標：將聚類結果和某個「參考模型」進行比較。

內部指標：不利用任何參考模型，直接考察聚類結果。

對於給定的樣本集，按照樣本之間的距離大小，將樣本集劃分為K個簇。讓簇內的點盡量緊密的連在一起，而讓簇間的距離盡量的大

初學者會很容易就把K-Means和KNN搞混，其實兩者的差別還是很大的。

K-Means是無監督學習的聚類演算法，沒有樣本輸出；而KNN是監督學習的分類演算法，有對應的類別輸出。KNN基本不需要訓練，對測試集裡面的點，只需要找到在訓練集中最近的k個點，用這最近的k個點的類別來決定測試點的類別。而K-Means則有明顯的訓練過程，找到k個類別的最佳質心，從而決定樣本的簇類別。

當然，兩者也有一些相似點，兩個演算法都包含一個過程，即找出和某一個點最近的點。兩者都利用了最近鄰(nearest neighbors)的思想。

優點：

簡單， 易於理解和實現 ；收斂快，一般僅需5-10次迭代即可，高效

缺點：

    1，對K值得選取把握不同對結果有很大的不同

    2，對於初始點的選取敏感，不同的隨機初始點得到的聚類結果可能完全不同

    3，對於不是凸的數據集比較難收斂

    4，對噪點過於敏感，因為演算法是根據基於均值的

    5，結果不一定是全局最優，只能保證局部最優

    6，對球形簇的分組效果較好，對非球型簇、不同尺寸、不同密度的簇分組效果不好。

K-means演算法簡單理解，易於實現（局部最優），卻會有對初始點、雜訊點敏感等問題；還容易和監督學習的分類演算法KNN混淆。

參考閱讀：

1.《 深入理解K-Means聚類演算法 》

2.《 K-Means 》

⑤ K均值演算法

代價函數可以定義為各個樣本距離所屬簇中心點的誤差平方和

K均值演算法有一些缺點，例如受初值和離群點的影響每次的結果不穩定、結果 通常不是全局最優而是局部最優解、無法很好地解決數據簇分布差別比較大的情 況(比如一類是另一類樣本數量的100倍)、不太適用於離散分類等。但是瑕不掩 瑜，K均值聚類的優點也是很明顯和突出的，主要體現在:對於大數據集，K均值 聚類演算法相對是可伸縮和高效的，它的計算復雜度是O(NKt)接近於線性，其中N是 數據對象的數目，K是聚類的簇數，t是迭代的輪數。盡管演算法經常以局部最優結 束，但一般情況下達到的局部最優已經可以滿足聚類的需求。
其實書中也少講了缺點，那就是關於k的選擇，當維度很高的時候，你很難判斷選擇k多少比較合適。
不過書中在演算法調優中說了。所謂的調優其是也是變相的說那些缺點。

K均值演算法的調優一般可以從以下幾個角度出發。

(1)數據歸一化和離群點處理。
K均值聚類本質上是一種基於歐式距離度量的數據劃分方法，均值和方差大的 維度將對數據的聚類結果產生決定性的影響，所以未做歸一化處理和統一單位的 數據是無法直接參與運算和比較的。同時，離群點或者少量的雜訊數據就會對均 值產生較大的影響，導致中心偏移，因此使用K均值聚類演算法之前通常需要對數據 做預處理。

（2)合理選擇K值。
K值的選擇是K均值聚類最大的問題之一，這也是K均值聚類演算法的主要缺 點。實際上，我們希望能夠找到一些可行的辦法來彌補這一缺點，或者說找到K值 的合理估計方法。但是，K值的選擇一般基於經驗和多次實驗結果。例如採用手肘 法，我們可以嘗試不同的K值，並將不同K值所對應的損失函數畫成折線，橫軸 為K的取值，縱軸為誤差平方和所定義的損失函數，如圖5.3所示

由圖可見，K值越大，距離和越小;並且，當K=3時，存在一個拐點，就像人 的肘部一樣;當K (1,3)時，曲線急速下降;當K>3時，曲線趨於平穩。手肘法認 為拐點就是K的最佳值。
手肘法是一個經驗方法，缺點就是不夠自動化，因此研究員們又提出了一些 更先進的方法，其中包括比較有名的Gap Statistic方法[5]。Gap Statistic方法的優點 是，不再需要肉眼判斷，而只需要找到最大的Gap statistic所對應的K即可，因此該 方法也適用於批量化作業。在這里我們繼續使用上面的損失函數，當分為K簇時， 對應的損失函數記為Dk。Gap Statistic定義為
Gap(K)=E(logDk)−logDk

內按照均勻分布隨機地產生和原始樣本數一樣多的隨機樣本，並對這個隨機樣本
做K均值，得到一個Dk;重復多次就可以計算出E(logDk)的近似值。那麼Gap(K)有
什麼物理含義呢?它可以視為隨機樣本的損失與實際樣本的損失之差。試想實際 樣本對應的最佳簇數為K，那麼實際樣本的損失應該相對較小，隨機樣本損失與實 際樣本損失之差也相應地達到最小值，從而Gap(K)取得最大值所對應的K值就是最 佳的簇數。根據式(5.4)計算K =1,2,...,9所對應的Gap Statistic

(3)採用核函數。
採用核函數是另一種可以嘗試的改進方向。傳統的歐式距離度量方式，使得K 均值演算法本質上假設了各個數據簇的數據具有一樣的先驗概率，並呈現球形或者 高維球形分布，這種分布在實際生活中並不常見。面對非凸的數據分布形狀時， 可能需要引入核函數來優化，這時演算法又稱為核K均值演算法，是核聚類方法的一種 [6]。核聚類方法的主要思想是通過一個非線性映射，將輸入空間中的數據點映射到 高位的特徵空間中，並在新的特徵空間中進行聚類。非線性映射增加了數據點線 性可分的概率，從而在經典的聚類演算法失效的情況下，通過引入核函數可以達到 更為准確的聚類結果。

K均值演算法的主要缺點如下。
(1)需要人工預先確定初始K值，且該值和真實的數據分布未必吻合。
(2)K均值只能收斂到局部最優，效果受到初始值很大。
(3)易受到噪點的影響。
(4)樣本點只能被劃分到單一的類中。

■ K-means++演算法
K均值的改進演算法中，對初始值選擇的改進是很重要的一部分。而這類演算法 中，最具影響力的當屬K-means++演算法。原始K均值演算法最開始隨機選取數據集中 K個點作為聚類中心，而K-means++按照如下的思想選取K個聚類中心。假設已經 選取了n個初始聚類中心(0<n<K)，則在選取第n+1個聚類中心時，距離當前n個 聚類中心越遠的點會有更高的概率被選為第n+1個聚類中心。在選取第一個聚類中 心(n=1)時同樣通過隨機的方法。可以說這也符合我們的直覺，聚類中心當然是 互相離得越遠越好。當選擇完初始點後，K-means++後續的執行和經典K均值演算法 相同，這也是對初始值選擇進行改進的方法等共同點。

■ ISODATA演算法
當K值的大小不確定時，可以使用ISODATA演算法。ISODATA的全稱是迭代自 組織數據分析法。在K均值演算法中，聚類個數K的值需要預先人為地確定，並且在 整個演算法過程中無法更改。而當遇到高維度、海量的數據集時，人們往往很難准 確地估計出K的大小。ISODATA演算法就是針對這個問題進行了改進，它的思想也 很直觀。當屬於某個類別的樣本數過少時，把該類別去除;當屬於某個類別的樣 本數過多、分散程度較大時，把該類別分為兩個子類別。ISODATA演算法在K均值 演算法的基礎之上增加了兩個操作，一是分裂操作，對應著增加聚類中心數;二是 合並操作，對應著減少聚類中心數。ISODATA演算法是一個比較常見的演算法，其缺 點是需要指定的參數比較多，不僅僅需要一個參考的聚類數量Ko，還需要制定3個
閾值。下面介紹ISODATA演算法的各個輸入參數。
(1)預期的聚類中心數目Ko。在ISODATA運行過程中聚類中心數可以變 化，Ko是一個用戶指定的參考值，該演算法的聚類中心數目變動范圍也由其決定。 具體地，最終輸出的聚類中心數目常見范圍是從Ko的一半，到兩倍Ko。
(2)每個類所要求的最少樣本數目Nmin。如果分裂後會導致某個子類別所包 含樣本數目小於該閾值，就不會對該類別進行分裂操作。
(3)最大方差Sigma。用於控制某個類別中樣本的分散程度。當樣本的分散 程度超過這個閾值時，且分裂後滿足(1)，進行分裂操作。
(4)兩個聚類中心之間所允許最小距離Dmin。如果兩個類靠得非常近(即這 兩個類別對應聚類中心之間的距離非常小)，小於該閾值時，則對這兩個類進行
合並操作。
如果希望樣本不劃分到單一的類中，可以使用模糊C均值或者高斯混合模型， 高斯混合模型會在下一節中詳細講述。

K均值聚類的迭代演算法實際上是一種最大期望演算法 (Expectation-Maximization algorithm)，簡稱EM演算法。EM演算法解決的是在概率模 型中含有無法觀測的隱含變數情況下的參數估計問題。
EM演算法只保證收斂到局部最優解

⑥ K-means 與KNN 聚類演算法

        K-means 演算法屬於聚類演算法的一種。聚類演算法就是把相似的對象通過靜態分類方法分成不同的組別或者更多的子集（subset），這樣讓在同一個子集中的成員對象都有相似的一些屬性。聚類演算法的任務是將數據集劃分為多個集群。在相同集群中的數據彼此會比不同集群的數據相似。通常來說，聚類演算法的目標就是通過相似特徵將數據分組並分配進不同的集群中。

K-means 聚類演算法是一種非監督學習演算法，被用於非標簽數據（data without defined categories or groups）。該演算法使用迭代細化來產生最終結果。演算法輸入的是集群的數量 K 和數據集。數據集是每個數據點的一組功能。  演算法從 Κ 質心的初始估計開始，其可以隨機生成或從數據集中隨機選擇 。然後演算法在下面兩個步驟之間迭代：

每個質心定義一個集群。在此步驟中，基於平方歐氏距離將每個數據點分配到其最近的質心。更正式一點， ci  屬於質心集合  C  ，然後每個數據點  x  基於下面的公式被分配到一個集群中。

在此步驟中，重新計算質心。這是通過獲取分配給該質心集群的所有數據點的平均值來完成的。公式如下：

K-means 演算法在步驟 1 和步驟 2 之間迭代，直到滿足停止條件（即，沒有數據點改變集群，距離的總和最小化，或者達到一些最大迭代次數）。

上述演算法找到特定預選 K 值和數據集標簽。為了找到數據中的集群數，用戶需要針對一系列 K 值運行 K-means 聚類演算法並比較結果。通常，沒有用於確定 K 的精確值的方法，但是可以使用以下技術獲得准確的估計。

Elbow point 拐點方法

通常用於比較不同 K 值的結果的度量之一是數據點與其聚類質心之間的平均距離。由於增加集群的數量將總是減少到數據點的距離，因此當 K 與數據點的數量相同時，增加 K 將總是減小該度量，達到零的極值。因此，該指標不能用作唯一目標。相反，繪制了作為 K 到質心的平均距離的函數，並且可以使用減小率急劇變化的「拐點」來粗略地確定 K 。

DBI（Davies-Bouldin Index）

DBI 是一種評估度量的聚類演算法的指標，通常用於評估 K-means 演算法中 k 的取值。簡單的理解就是：DBI 是聚類內的距離與聚類外的距離的比值。所以，DBI 的數值越小，表示分散程度越低，聚類效果越好。

還存在許多用於驗證 K 的其他技術，包括交叉驗證，信息標准，信息理論跳躍方法，輪廓方法和 G 均值演算法等等。

需要提前確定 K 的選值或者需嘗試很多 K 的取值

數據必須是數字的，可以通過歐氏距離比較

對特殊數據敏感，很容易受特殊數據影響

對初始選擇的質心/中心（centers）敏感

之前介紹了  KNN （K 鄰近）演算法 ，感覺這兩個演算法的名字很接近，下面做一個簡略對比。

K-means  ：

聚類演算法

用於非監督學習

使用無標簽數據

需要訓練過程

K-NN ：

分類演算法

用於監督學習

使用標簽數據

沒有明顯的訓練過程

鄰近演算法，或者說K最近鄰(kNN，k-NearestNeighbor)分類演算法是數據挖掘分類技術中最簡單的方法之一。所謂K最近鄰，就是k個最近的鄰居的意思，說的是每個樣本都可以用它最接近的k個鄰居來代表。Cover和Hart在1968年提出了最初的鄰近演算法。KNN是一種分類(classification)演算法，它輸入基於實例的學習（instance-based learning），屬於懶惰學習（lazy learning）即KNN沒有顯式的學習過程，也就是說沒有訓練階段，數據集事先已有了分類和特徵值，待收到新樣本後直接進行處理。與急切學習（eager learning）相對應。

KNN是通過測量不同特徵值之間的距離進行分類。 

思路是：如果一個樣本在特徵空間中的k個最鄰近的樣本中的大多數屬於某一個類別，則該樣本也劃分為這個類別。KNN演算法中，所選擇的鄰居都是已經正確分類的對象。該方法在定類決策上只依據最鄰近的一個或者幾個樣本的類別來決定待分樣本所屬的類別。

提到KNN，網上最常見的就是下面這個圖，可以幫助大家理解。

我們要確定綠點屬於哪個顏色（紅色或者藍色），要做的就是選出距離目標點距離最近的k個點，看這k個點的大多數顏色是什麼顏色。當k取3的時候，我們可以看出距離最近的三個，分別是紅色、紅色、藍色，因此得到目標點為紅色。

演算法的描述：

1）計算測試數據與各個訓練數據之間的距離；

2）按照距離的遞增關系進行排序；

3）選取距離最小的K個點；

4）確定前K個點所在類別的出現頻率；

5）返回前K個點中出現頻率最高的類別作為測試數據的預測分類

二、關於 K 的取值

K：臨近數，即在預測目標點時取幾個臨近的點來預測。

K值得選取非常重要，因為：

如果當K的取值過小時，一旦有雜訊得成分存在們將會對預測產生比較大影響，例如取K值為1時，一旦最近的一個點是雜訊，那麼就會出現偏差，K值的減小就意味著整體模型變得復雜，容易發生過擬合；

如果K的值取的過大時，就相當於用較大鄰域中的訓練實例進行預測，學習的近似誤差會增大。這時與輸入目標點較遠實例也會對預測起作用，使預測發生錯誤。K值的增大就意味著整體的模型變得簡單；

如果K==N的時候，那麼就是取全部的實例，即為取實例中某分類下最多的點，就對預測沒有什麼實際的意義了；

K的取值盡量要取奇數，以保證在計算結果最後會產生一個較多的類別，如果取偶數可能會產生相等的情況，不利於預測。

K的取法：

 常用的方法是從k=1開始，使用檢驗集估計分類器的誤差率。重復該過程，每次K增值1，允許增加一個近鄰。選取產生最小誤差率的K。

一般k的取值不超過20，上限是n的開方，隨著數據集的增大，K的值也要增大。

三、關於距離的選取

距離就是平面上兩個點的直線距離

關於距離的度量方法，常用的有：歐幾里得距離、餘弦值（cos）, 相關度 （correlation）, 曼哈頓距離 （Manhattan distance）或其他。

Euclidean Distance 定義：

兩個點或元組P1=（x1，y1）和P2=（x2，y2）的歐幾里得距離是

距離公式為：（多個維度的時候是多個維度各自求差）

四、總結

KNN演算法是最簡單有效的分類演算法，簡單且容易實現。當訓練數據集很大時，需要大量的存儲空間，而且需要計算待測樣本和訓練數據集中所有樣本的距離，所以非常耗時

KNN對於隨機分布的數據集分類效果較差，對於類內間距小，類間間距大的數據集分類效果好，而且對於邊界不規則的數據效果好於線性分類器。

KNN對於樣本不均衡的數據效果不好，需要進行改進。改進的方法時對k個近鄰數據賦予權重，比如距離測試樣本越近，權重越大。

KNN很耗時，時間復雜度為O(n)，一般適用於樣本數較少的數據集，當數據量大時，可以將數據以樹的形式呈現，能提高速度，常用的有kd-tree和ball-tree。

⑦ 人工智慧中標准k均值聚類演算法存在哪些困難和局限

1、初始化選取各簇中心時，是隨機的，影響聚類結果。canopy演算法可以改進這點。
2、聚類結果是圓形狀，對條狀和線狀支持不好
3、要事先指定K值

⑧ K均值聚類分析的原理

在訓練圖像中,數據事件數量非常多。如果將這些數據事件逐一與模擬區域數據模式進行比對,對計算機性能要求高,計算效率低下。對數據事件分析發現,很多數據事件具有很高的相似性,可以將其劃分為同一類。這樣大大減少數據事件的個數,提高了運算效率。基於這樣考慮,聚類分析技術被引入到多點地質統計學中。

J.B.MacQueen在1967年提出的K-means演算法是到目前為止用於科學和工業應用的諸多聚類演算法中一種極有影響的技術。它是聚類方法中一個基本的劃分方法,常常採用誤差平方和准則函數作為聚類准則函數,誤差平方和准則函數定義為

多點地質統計學原理、方法及應用

式中:m_i(i=1,2,…,k)是類i中數據對象的均值,分別代表K個類。

K-means演算法的工作原理:首先隨機從數據集中選取K個點作為初始聚類中心,然後計算各個樣本到聚類中的距離,把樣本歸到離它最近的那個聚類中心所在的類。計算新形成的每一個聚類的數據對象的平均值來得到新的聚類中心,如果相鄰兩次的聚類中心沒有任何變化,說明樣本調整結束,聚類准則函數已經收斂。本演算法的一個特點是在每次迭代中都要考察每個樣本的分類是否正確。若不正確,就要調整,在全部樣本調整完後,再修改聚類中心,進入下一次迭代。如果在一次迭代演算法中,所有的樣本被正確分類,則不會有調整,聚類中心也不會有任何變化,這標志著已經收斂,因此演算法結束。

基本步驟如下:

a.對於數據對象集,任意選取K個對象作為初始的類中心;

b.根據類中對象的平均值,將每個對象重新賦給最相似的類;

c.更新類的平均值,即計算每個類中對象的平均值;

d.重復b和c步驟;

e.直到不再發生變化。

圖2-7是利用K-means方法做的一個數據事件的聚類分析結果。數據類定義為10個。數據事件來自於圖2-8,採用的數據樣板是8×8的數據樣板。

K-means演算法優點為當聚類是密集的,且類與類之間區別明顯時,效果較好。對於處理大數據集,這個演算法是相對可伸縮和高效的,缺點主要有三個:

圖2-7 K-means方法聚類結果

圖2-8 用於聚類的訓練圖像,數據樣板選擇為8*8

1)在K-means演算法中K是事先給定的,這個K值的選定是非常難以估計的。很多時候,事先並不知道給定的數據集應該分成多少個類別才最合適。這是K-means演算法的一個不足。

2)在K-means演算法中,首先需要根據初始聚類中心來確定一個初始劃分,然後對初始劃分進行優化。這個初始聚類中心的選擇對聚類結果有較大的影響,一旦初始值選擇的不好,可能無法得到有效的聚類結果,這也成為K-means演算法的一個主要問題。

3)從K-means演算法框架可以看出,該演算法需要不斷地進行樣本分類調整,不斷地計算調整後的新的聚類中心,因此當數據量非常大時,演算法的時間開銷是非常大的。所以需要對演算法的時間復雜度進行分析、改進,提高演算法應用范圍。

⑨ k均值聚類演算法原理

 演算法：
第一步：選K個初始聚類中心，z1(1)，z2(1)，…，zK(1)，其中括弧內的序號為尋找聚類中心的迭代運算的次序號。聚類中心的向量值可任意設定，例如可選開始的K個模式樣本的向量值作為初始聚類中心。
第二步：逐個將需分類的模式樣本{x}按最小距離准則分配給K個聚類中心中的某一個zj(1)。
假設i=j時， ，則 ，其中k為迭代運算的次序號，第一次迭代k=1，Sj表示第j個聚類，其聚類中心為zj。
第三步：計算各個聚類中心的新的向量值，zj(k+1)，j=1,2,…,K
求各聚類域中所包含樣本的均值向量：

其中Nj為第j個聚類域Sj中所包含的樣本個數。以均值向量作為新的聚類中心，可使如下聚類准則函數最小：

在這一步中要分別計算K個聚類中的樣本均值向量，所以稱之為K-均值演算法。
第四步：若 ，j=1,2,…,K，則返回第二步，將模式樣本逐個重新分類，重復迭代運算；
若 ，j=1,2,…,K，則演算法收斂，計算結束。