无监督学习——K-means算法

无监督学习——聚类问题:K-Means聚类算法详解 K-Means 聚类算法是一种简单而有效的无监督学习方法,在多个领域都有广泛的应用。通过本文的介绍,我们了解了 K-Means 算法的原理、应用场景、代码实现以及优缺点。在实际应用中,需要根据具体问题选择合适的聚类算法,并对数据进行预处理,以提高聚类的效果。 阅读详情

1、前言

聚类算法是一种无监督学习算法。k均值算法是其中应用最为广泛的一种,算法接受一个未标记的数据集,然后将数据聚类成不同的组。

2、算法简述

K均值是一个迭代算法,假设我们想要将数据聚类成K个组,其方法为:

  1. 随机选择K个随机的点(称为聚类中心);
  2. 对与数据集中的每个数据点,按照距离K个中心点的距离,将其与距离最近的中心点关联起来,与同一中心点关联的所有点聚成一类;
  3. 计算每一组的均值,将该组所关联的中心点移动到平均值的位置;
  4. 重复执行2-3步,直至中心点不再变化
  • 简单Demo说明
    在这里插入图片描述

3、K-means算法思考

3.1、K-means算法

无标签训练集,其中每个输入是都是一个n维的实数向量,即假设分别表示K个类别的聚类中心,用来存储与第i个实例数据最近的聚类中心的索引(1,2,…,k),则K-均值算法的伪代码如下:
在这里插入图片描述
算法分为2个步骤,
第一个for循环是赋值步骤,即:对于每一个样例i,计算其应该属于的类。
第二个for循环是聚类中心的移动,即:对于每一个类k,重新计算该类的质心。(注:算法执行过程中若出现没有分配点的聚类中心,可以直接移除该聚类中心)

3.2、目标函数

K均值最小化的问题,是要最小化所有数据点与其所关联的聚类中心点之间的距离之和。
因此k均值的代价函数为:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.3、随机初始化

K均值算法执行开始时,通常随机初始化聚类中心点,即:随机选择K个训练实例,然后令K个聚类中心分别等于这K个训练实例。
这就使得Kmeans算法存在一个缺陷:最后结果会依赖于初始化的情况,并且有可能使得代价函数停留在局部最小值处。
为了解决该问题,我们通常需要多次(50到1000次)运行K均值算法,每一次都重新进行初始化,最后再比较多次运行K-均值的结果,选择代价函数最小的结果。
通常这种方法在K较小的时候(2-10)还是可行的;但是K较大,这么做可能不会有明显的改善,并且K较大时,通常第一次执行K均值也会得到一个不错的结果。
典型的执行次数为100次。伪代码如下:
在这里插入图片描述

3.4、选择聚类数K

没有所谓最好的选择聚类数的方法,通常是需要根据不同的问题,人工的进行选择。
但是,当你想要确定最优聚类数K时,有一个值得一试的方法 - “肘部法则(Elbow method)”。
该方法所做的就是不断的改变K值(from 1 to x),执行k-均值,然后画出代价函数与K值的变化曲线,选择“肘点处”的值作为K的取值。
如下图:
在这里插入图片描述
事实上,该方法并不常用,因为大多数情况下,我们通常会得到一个光滑下降的曲线,没有一个清晰的“肘点”,这样就不能果断的确定K的取值;即便若此,该方法还是值得推荐和尝试的。

以《简单易懂》的语言带你搞懂无监督学习算法【附Python代码详解】机器学习系列之K-Means篇 目录必看前言无监督学习算法1 聚类与分类2 K-Means算法2.1 K-Means的基本原理2.1.1 K-Means 是如何工作的?2.1.2 簇内误差平方和的定义2.2 K-Means算法的python实现2.2.1 导入数据集2.2.2 编写距离计算函数2.2.3 编写随机生成质心函数2.2.4 编写 K-Means 聚类函数2.2.5 算法验证结束语 必看前言 今天这一篇文章,将跟大家分享一下无监督学习算法。 而本文将试图用简单易懂的语言来讲说到底什么是无监督学习算法,同时主要会以KMeans算法 阅读详情

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