DBSCAN 聚类

  1. DBSCAN原理简介
  2. DBSCAN详细介绍及python实现
  3. 通过DBSCAN聚类,分析学生上网时间和上网时长的模式

sci-kit learn提供了相应的类和API,非常方便简单。

http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.cluster.DBSCAN.html

最简单的应用就是一句话:
from sklearn.cluster import DBSCAN
clf = DBSCAN(eps=0.3, min_samples=10).fit(X)
其中clf就是最终的分类器,而X是输入数据。

输入参数展开说:
class sklearn.cluster.DBSCAN(eps=0.5, min_samples=5, metric=’euclidean’, algorithm=’auto’, leaf_size=30, p=None, random_state=None)
eps:点之间的间距,大于这个间距的就不算一个簇了。
min_samples:可以算作核心点的高密度区域的最少点个数。
metric:距离公式,可以用默认的欧式距离,还可以自己定义距离函数。
algorithm:发现近邻的方法,是暴力brute,二维空间的距离树kd_tree还是球状树形结构ball_tree。这个参数主要是为了降低计算复杂度的,可以从O(N^2)降到O(n*log(n))。换句话说,无论哪种算法都会达到最后的结果,影响的只是性能。
leaf_size:配合两种_tree算法的。
random_state:不用。

结果展开说:
labels_:所有点的分类结果。无论核心点还是边界点,只要是同一个簇的都被赋予同样的label,噪声点为-1.
core_sample_indices_:核心点的索引,因为labels_不能区分核心点还是边界点,所以需要用这个索引确定核心点。

使用心得:
对于文本分类问题,距离计算一般采用”cosin”余弦相似度来度量文本的远近。由于文本分类的权重矩阵样本大且稀疏,计算方法只能采用algorithm = brute

### DBSCAN聚类算法概述 DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一种基于密度的空间聚类算法,能够有效地处理噪声数据并发现任意形状的簇。该算法不需要预先指定簇的数量,而是通过两个重要参数来控制:`Eps` 和 `MinPts`。 - **Eps (ε)** 表示半径距离,在给定范围内可以找到其他样本点的最大距离。 - **MinPts** 是指在某一点周围至少需要存在的最小样本数量才能定义为核心点[^1]。 核心概念包括: - **核心对象(Core Point)**:在其邻域内拥有超过一定数目(`MinPts`)的对象称为核心对象; - **边界对象(Border Point)**:不是核心对象但在某个核心对象的邻域内的点; - **噪音(Noise)**:既不属于任何簇也不位于其它簇边界的孤立点; ### MATLAB 实现 对于希望快速上手的人来说,MATLAB 提供了一个简单易用的方式来实现DBSCAN聚类。下面是一个简单的例子展示如何使用MATLAB内置函数执行DBSCAN操作: ```matlab % 加载数据集 load fisheriris; X = meas; % 设置DBSCAN 参数 epsilon = 0.3; % Epsilon 值 minpts = 5; % MinPts 数量 % 执行DBSCAN 聚类 [idx, ~] = dbscan(X', epsilon, minpts); % 可视化结果 gscatter(X(:,1), X(:,2), idx); title('DBSCAN Cluster Results'); xlabel('Feature 1'); ylabel('Feature 2'); ``` 这段代码加载了著名的鸢尾花(Iris) 数据集,并应用DBSCAN对其进行分类。最后绘制出不同颜色表示的不同类别散点图。 ### Python 实现 除了MATLAB之外,Python也是实施DBSCAN的理想工具之一。Scikit-Learn库提供了方便快捷的方法来进行此类分析工作。以下是采用sklearn.cluster.DBSCAN模块的一个实例程序片段: ```python from sklearn.datasets import load_iris from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.cluster import DBSCAN import matplotlib.pyplot as plt # 导入数据 data = load_iris() X = data.data[:, :2] # 标准化特征向量 scaler = StandardScaler().fit(X) X_scaled = scaler.transform(X) # 创建模型实例 dbscan_model = DBSCAN(eps=0.3, min_samples=5).fit(X_scaled) # 获取标签 labels = dbscan_model.labels_ # 绘制图形 plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=labels, cmap='viridis') plt.title("DBSCAN Clusters") plt.show() ``` 此脚本同样选取了Iris数据集中前两维属性用于可视化目的,并调用了SciKit Learn中的DBSCAN方法完成实际计算过程[^3]。
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