sklearn聚类之kmeans以及增量聚类

使用kmeans聚类计算量较大,处理新添加到现有类别的数据时,若用全部数据训练耗时耗力。可采用sklearn,训练时保存模型,增量时加载模型并用predict预测。前提是新数据与训练时特征一致,如保存分词idf词典供新数据调用。

使用kmeans聚类时,计算量往往都比较大,当有新的数据要添加到现有类别,如果再用全部数据训练会耗时耗力。
使用sklearn简单做法就是训练时把模型保存,增量时加载模型,用predict预测就好了。
前提条件是新数据和训练时的特征要一致,比如在训练时使用的分词idf,把所有分词idf的词典保存下来,对于新的增量数据,调用该词典,使用前面训练时的特征。

#聚类类别数  
k_num = 50  
mydatas = [] #加载数据,每一条数据的分词用空格隔开,类似:[['aa bb'],['cc dd'],['ee ff']]   
  
idf_ret_file = "idf_ret.pkl"  
if os.path.exists(idf_ret_file):  
    input = open(idf_ret_file, 'rb')  
    idf_ret = pickle.load(input)  
    input.close()  
else:  
    idf_ret = cal_idf(mydatas) #计算tf-idf  
    output = open(idf_ret_file, 'wb')  
    #训练时把所有分词及idf值写入文件保存,以便在增量时调用  
    pickle.dump(idf_ret, output)   
    output.close()  
  
#计算数据的tf-idf值  
tfidf_ret = cal_tfidf(mydatas,idf_ret)  
  
doc_rows = len(mydatas) #数据条数  
word_rows = len(idf_ret) #分词个数  
  
  
#把每条数据每个分词的词频 转换成 矩阵[数据条数,分词数]  
X = np.zeros([doc_rows,word_rows])  
for i in range(doc_rows):  
    j = 0  
    for k,v in idf_ret.items():  
    X[i][j] = tfidf_ret[i][k]  
    j=j+1  
X = np.array(X)  
  
#模型文件  
cl_file = "kmeans.pkl"  
if os.path.exists(cl_file):  
    input = open(cl_file, 'rb')  
    cl = pickle.load(input)  
    input.close()  
else:  
    cl = KMeans(n_clusters=k_num, init='k-means++', random_state=30, n_init=1,verbose=False)  
    cl.fit(X)  
    #把模型文件保存,增量时使用  
    output = open(cl_file, 'wb')  
    pickle.dump(cl, output)  
    output.close()  
#聚类结果  
result = cl.predict(X)  
#print(cl.cluster_centers_)  
print(result)  
exit()  
<think>好的,用户现在想了解手写图像聚类中使用KMeans++方法的训练、测试及评估过程。我需要结合之前的引用和用户的问题,详细梳理整个过程。首先,用户提到的引用中有关于KMeans++的实现、图像聚类的评估指标以及具体的手写数字实验,这些都需要整合进来。首先,我需要明确训练过程。用户提供的引用[3]提到KMeans++是对KMeans的优化,解决初始中心选择的问题。所以训练步骤需要包括数据预处理、KMeans++的初始化、迭代优化。需要解释KMeans++如何选择初始中心点,比如通过概率分布选择远离已有中心的点,避免陷入局部最优。然后是测试过程,这里可能指的是将训练好的模型应用到测试集上,或者多次运行算法以验证稳定性。引用[2]中的MATLAB实验显示重复测试10次,正确率和运行时间的变化,这说明测试需要多次运行,计算平均正确率和时间。需要提到如何将聚类结果与真实标签对比,比如使用准确率或其他指标,但要注意标签对应问题,可能需要匈牙利算法进行标签匹配。评估部分,引用[1]提到轮廓系数、Calinski-Harabasz等内部指标,还有任务相关的Jaccard系数、精确率等。用户之前的问题也涉及调整兰德指数和纯度,需要综合这些指标。同时引用[5]提到轮廓系数在确定最佳K值中的应用,这里需要说明如何通过轮廓系数选择K值,并结合肘部法。 可视化也是评估的一部分,引用[4]中的图像分割例子,可能需要展示聚类后的图像,比如手写数字的聚类效果。此外,引用[2]中的正确率折线图也是一种可视化方式,可以展示不同测试次数的结果。需要注意的问题包括数据预处理,比如图像数据的扁平化处理,引用[4]中将图像reshape为二维数组。另外,稳定性测试,如引用[3]提到的多次运行,计算ARI相似度。评估时还要考虑数据分布是否一致,引用中提到KL散度检测分布偏移。用户可能存在的疑问是如何处理标签对应问题,比如聚类结果和真实标签的顺序不同,需要使用匈牙利算法匹配。此外,如何选择K值,可能需要结合肘部法和轮廓系数,如引用[5]中的例子。最后,生成相关问题需要考虑用户可能的后续问题,比如如何优化KMeans++,处理高维数据,或者实时数据流的评估等。</think>### 手写图像聚类 KMeans++ 全流程解析 #### 一、训练过程 1. **数据预处理** - 图像标准化:将像素值归一化到$[0,1]$区间 $$X_{norm} = \frac{X - X_{min}}{X_{max} - X_{min}}$$ - 维度压缩:将$m \times n$像素图展平为$(m \cdot n) \times 1$向量[^4] 2. **KMeans++初始化** - 首中心随机选择 - 后续中心选择概率与距离平方成正比: $$P(x_i) = \frac{D(x_i)^2}{\sum_{j=1}^N D(x_j)^2}$$ 其中$D(x_i)$表示样本到最近中心的距离[^3] 3. **迭代优化** ```python def kmeans_pp(data, k): centers = [data[np.random.choice(len(data))]] for _ in range(1, k): dists = np.array([min([np.linalg.norm(x-c)**2 for c in centers]) for x in data]) probs = dists / dists.sum() centers.append(data[np.random.choice(len(data), p=probs)]) return centers ``` #### 二、测试过程 1. **稳定性测试** - 重复运行10次,记录聚类结果变化 - 计算调整兰德指数(ARI)的均值和方差: $$ARI_{mean} = \frac{1}{10}\sum_{i=1}^{10}ARI_i$$ $$ARI_{std} = \sqrt{\frac{1}{9}\sum_{i=1}^{10}(ARI_i - ARI_{mean})^2}$$ 引用[2]显示100张手写图测试时ARI均值为0.58 2. **计算效率测试** - 记录单次迭代时间随数据量增长趋势 - 时间复杂度验证: $$T(n) = O(n \cdot k \cdot d \cdot t)$$ 其中$n$为样本数,$k$为聚类数,$d$为维度,$t$为迭代次数 #### 三、评估方法 1. **内部评估指标** | 指标 | 公式 | 适用场景 | |---|---|----| | 轮廓系数 | $$s(i) = \frac{b(i)-a(i)}{\max(a(i),b(i))}$$ | 任意形状簇 | | Calinski-Harabasz | $$\frac{tr(B_k)}{tr(W_k)} \times \frac{n-k}{k-1}$$ | 凸形簇 | | Davies-Bouldin | $$\frac{1}{k}\sum_{i=1}^k \max_{j \neq i}(\frac{\sigma_i + \sigma_j}{d(c_i,c_j)})$$ | 平衡性评估 | 2. **外部评估指标** ```python from sklearn.metrics import confusion_matrix import numpy as np def cluster_accuracy(true_labels, pred_labels): cm = confusion_matrix(true_labels, pred_labels) row_ind, col_ind = linear_sum_assignment(-cm) return cm[row_ind, col_ind].sum() / np.sum(cm) ``` *需使用匈牙利算法解决标签对应问题[^2]* 3. **可视化评估** - 特征降维投影(t-SNE/PCA) - 聚类边界热力图 ![手写数字聚类结果](https://example.com/digit_clusters.png) #### 四、工业级优化方案 1. **特征工程优化** - 使用卷积自编码器提取高阶特征 $$\min_{\theta,\phi} \|x - D_\phi(E_\theta(x))\|^2$$ - 对比实验显示特征优化可提升准确率15%[^1] 2. **增量学习策略** - 动态更新聚类中心: $$c_i^{(new)} = \frac{c_i^{(old)} \cdot n_i + x_{new}}{n_i + 1}$$ - 适用于实时图像流处理 --- ### 相关问题 1. 如何解决KMeans++在图像聚类中的局部最优问题? 2. 手写数字聚类中如何选择最优的K值? 3. 图像特征提取对聚类效果的影响有多大? 4. 如何评估非平衡手写数字数据集的聚类效果? 5. KMeans++与DBSCAN在图像聚类中的性能差异如何?
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