python實作kMeans演算法的詳解
聚類是一種無監督的學習,將相似的物件放到同一簇中,有點像是全自動分類,簇內的物件越相似,簇間的物件差異越大,則聚類效果越好。本文主要為大家詳細介紹了python實作kMeans演算法,具有一定的參考價值,有興趣的夥伴們可以參考一下,希望能幫助大家。
1、k均值聚類演算法
k均值聚類將資料分為k個簇,每個簇透過其質心,即簇中所有點的中心來描述。首先隨機決定k個初始點作為質心,然後將資料集分配到距離最近的簇。然後將每個簇的質心更新為所有資料集的平均值。然後再進行第二次劃分資料集,直到聚類結果不再變化為止。
偽代碼為
隨機建立k個簇質心
當任一點的簇分配改變時:
對資料集中的每個資料點:
對每個質心:
計算資料集與質心的距離
並將平均值當作質心
python實作
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def loadDataSet(fileName): dataMat = [] with open(fileName) as f: for line in f.readlines(): line = line.strip().split('\t') dataMat.append(line) dataMat = np.array(dataMat).astype(np.float32) return dataMat def distEclud(vecA,vecB): return np.sqrt(np.sum(np.power((vecA-vecB),2))) def randCent(dataSet,k): m = np.shape(dataSet)[1] center = np.mat(np.ones((k,m))) for i in range(m): centmin = min(dataSet[:,i]) centmax = max(dataSet[:,i]) center[:,i] = centmin + (centmax - centmin) * np.random.rand(k,1) return center def kMeans(dataSet,k,distMeans = distEclud,createCent = randCent): m = np.shape(dataSet)[0] clusterAssment = np.mat(np.zeros((m,2))) centroids = createCent(dataSet,k) clusterChanged = True while clusterChanged: clusterChanged = False for i in range(m): minDist = np.inf minIndex = -1 for j in range(k): distJI = distMeans(dataSet[i,:],centroids[j,:]) if distJI < minDist: minDist = distJI minIndex = j if clusterAssment[i,0] != minIndex: clusterChanged = True clusterAssment[i,:] = minIndex,minDist**2 for cent in range(k): ptsInClust = dataSet[np.nonzero(clusterAssment[:,0].A == cent)[0]] centroids[cent,:] = np.mean(ptsInClust,axis = 0) return centroids,clusterAssment data = loadDataSet('testSet.txt') muCentroids, clusterAssing = kMeans(data,4) fig = plt.figure(0) ax = fig.add_subplot(111) ax.scatter(data[:,0],data[:,1],c = clusterAssing[:,0].A) plt.show() print(clusterAssing)
2、二分k平均值演算法
先將所有點作為一個簇,然後將該簇一分為二,然後選擇所有簇中對其劃分能夠最大程度減低SSE的值的簇,直到滿足指定簇數為止。
將所有點看成一個簇計算SSE
while 當簇數目小於k:
for 每一個簇:
計算總誤差
在給定的簇上進行k均值聚類(k=2)
進行分割操作
#
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def loadDataSet(fileName): dataMat = [] with open(fileName) as f: for line in f.readlines(): line = line.strip().split('\t') dataMat.append(line) dataMat = np.array(dataMat).astype(np.float32) return dataMat def distEclud(vecA,vecB): return np.sqrt(np.sum(np.power((vecA-vecB),2))) def randCent(dataSet,k): m = np.shape(dataSet)[1] center = np.mat(np.ones((k,m))) for i in range(m): centmin = min(dataSet[:,i]) centmax = max(dataSet[:,i]) center[:,i] = centmin + (centmax - centmin) * np.random.rand(k,1) return center def kMeans(dataSet,k,distMeans = distEclud,createCent = randCent): m = np.shape(dataSet)[0] clusterAssment = np.mat(np.zeros((m,2))) centroids = createCent(dataSet,k) clusterChanged = True while clusterChanged: clusterChanged = False for i in range(m): minDist = np.inf minIndex = -1 for j in range(k): distJI = distMeans(dataSet[i,:],centroids[j,:]) if distJI < minDist: minDist = distJI minIndex = j if clusterAssment[i,0] != minIndex: clusterChanged = True clusterAssment[i,:] = minIndex,minDist**2 for cent in range(k): ptsInClust = dataSet[np.nonzero(clusterAssment[:,0].A == cent)[0]] centroids[cent,:] = np.mean(ptsInClust,axis = 0) return centroids,clusterAssment def biKmeans(dataSet,k,distMeans = distEclud): m = np.shape(dataSet)[0] clusterAssment = np.mat(np.zeros((m,2))) centroid0 = np.mean(dataSet,axis=0).tolist() centList = [centroid0] for j in range(m): clusterAssment[j,1] = distMeans(dataSet[j,:],np.mat(centroid0))**2 while (len(centList)<k): lowestSSE = np.inf for i in range(len(centList)): ptsInCurrCluster = dataSet[np.nonzero(clusterAssment[:,0].A == i)[0],:] centroidMat,splitClustAss = kMeans(ptsInCurrCluster,2,distMeans) sseSplit = np.sum(splitClustAss[:,1]) sseNotSplit = np.sum(clusterAssment[np.nonzero(clusterAssment[:,0].A != i)[0],1]) if (sseSplit + sseNotSplit) < lowestSSE: bestCentToSplit = i bestNewCents = centroidMat.copy() bestClustAss = splitClustAss.copy() lowestSSE = sseSplit + sseNotSplit print('the best cent to split is ',bestCentToSplit) # print('the len of the bestClust') bestClustAss[np.nonzero(bestClustAss[:,0].A == 1)[0],0] = len(centList) bestClustAss[np.nonzero(bestClustAss[:,0].A == 0)[0],0] = bestCentToSplit clusterAssment[np.nonzero(clusterAssment[:,0].A == bestCentToSplit)[0],:] = bestClustAss.copy() centList[bestCentToSplit] = bestNewCents[0,:].tolist()[0] centList.append(bestNewCents[1,:].tolist()[0]) return np.mat(centList),clusterAssment data = loadDataSet('testSet2.txt') muCentroids, clusterAssing = biKmeans(data,3) fig = plt.figure(0) ax = fig.add_subplot(111) ax.scatter(data[:,0],data[:,1],c = clusterAssing[:,0].A,cmap=plt.cm.Paired) ax.scatter(muCentroids[:,0],muCentroids[:,1]) plt.show() print(clusterAssing) print(muCentroids)
程式碼及資料集下載:K-means
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在 Notepad 中運行 Python 代碼需要安裝 Python 可執行文件和 NppExec 插件。安裝 Python 並為其添加 PATH 後,在 NppExec 插件中配置命令為“python”、參數為“{CURRENT_DIRECTORY}{FILE_NAME}”,即可在 Notepad 中通過快捷鍵“F6”運行 Python 代碼。
