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1、数据挖掘,Topic3-聚类分析K-means&K-medoids 聚类,2023/3/24,主要内容,K-means算法Matlab程序实现在图像分割上的简单应用K-medoids算法k-中心点聚类算法-PAMK-medoids改进算法,2023/3/24,基于划分的聚类方法,构造n个对象数据库D的划分,将其划分成k个聚类启发式方法:k-平均值(k-means)和 k-中心点(k-medoids)算法k-平均值(MacQueen67):每个簇用该簇中对象的平均值来表示 k-中心点或 PAM(Partition around medoids)(Kaufman&Rousseeuw87):每个簇用
2、接近聚类中心的一个对象来表示 这些启发式算法适合发现中小规模数据库中的球状聚类对于大规模数据库和处理任意形状的聚类,这些算法需要进一步扩展,2023/3/24,K-means聚类算法,算法描述为中心向量c1,c2,ck初始化k个种子分组:将样本分配给距离其最近的中心向量由这些样本构造不相交（non-overlapping）的聚类确定中心:用各个聚类的中心向量作为新的中心重复分组和确定中心的步骤，直至算法收敛,2023/3/24,K-means聚类算法（续）,算法的具体过程从数据集 中任意选取k个赋给初始的聚类中心c1,c2,ck；对数据集中的每个样本点xi，计算其与各个聚类中心cj的欧氏距离并
3、获取其类别标号：按下式重新计算k个聚类中心；重复步骤2和步骤3，直到达到最大迭代次数为止。,2023/3/24,Matlab程序实现,function M,j,e=kmeans(X,K,Max_Its)N,D=size(X);I=randperm(N);M=X(I(1:K),:);Mo=M;for n=1:Max_Its for k=1:K Dist(:,k)=sum(X-repmat(M(k,:),N,1).2,2);end i,j=min(Dist,2);for k=1:K if size(find(j=k)0 M(k,:)=mean(X(find(j=k),:);end end,2023
4、/3/24,Matlab程序实现（续）,Z=zeros(N,K);for m=1:N Z(m,j(m)=1;end e=sum(sum(Z.*Dist)./N);fprintf(%d Error=%fn,n,e);Mo=M;end,2023/3/24,k-平均聚类算法(续),例,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,K=2任意选择 K个对象作为初始聚类中心,将每个对象赋给最类似的中心,更新簇的平均值,重新赋值,更新簇的平均值,重新赋值,2023/3/24,在图像分割上的简单应用,例1：,图片：一只遥望大海的小狗；此图为100 x 100像素
5、的JPG图片，每个像素可以表示为三维向量（分别对应JPEG图像中的红色、绿色和蓝色通道）；将图片分割为合适的背景区域（三个）和前景区域（小狗）；使用K-means算法对图像进行分割。,2023/3/24,在图像分割上的简单应用（续）,分割后的效果,注：最大迭代次数为20次，需运行多次才有可能得到较好的效果。,2023/3/24,在图像分割上的简单应用（续）,例2：,注：聚类中心个数为5，最大迭代次数为10。,2023/3/24,k-平均聚类算法(续),优点:相对有效性:O(tkn),其中 n 是对象数目,k 是簇数目,t 是迭代次数;通常,k,t n.当结果簇是密集的，而簇与簇之间区别明显时，
6、它的效果较好Comment:常常终止于局部最优.全局最优 可以使用诸如确定性的退火(deterministic annealing)和遗传算法(genetic algorithms)等技术得到,2023/3/24,k-平均聚类算法(续),弱点只有在簇的平均值(mean)被定义的情况下才能使用.可能不适用于某些应用,例如涉及有分类属性的数据需要预先指顶簇的数目k,不能处理噪音数据和孤立点(outliers)不适合用来发现具有非凸形状(non-convex shapes)的簇,2023/3/24,k-中心点聚类方法,k-平均值算法对孤立点很敏感!因为具有特别大的值的对象可能显著地影响数据的分布.k
7、-中心点(k-Medoids):不采用簇中对象的平均值作为参照点,而是选用簇中位置最中心的对象,即中心点(medoid)作为参照点.,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),找聚类中的代表对象(中心点)PAM(Partitioning Around Medoids,1987)首先为每个簇随意选择选择一个代表对象,剩余的对象根据其与代表对象的距离分配给最近的一个簇;然后反复地用非代表对象来替代代表对象，以改进聚类的质量 PAM 对于较小的数据集非常有效,但不能很好地扩展到大型数据集CLARA(Kaufmann&Rousseeuw,1990)抽样CLARANS(Ng&Han,1994):随机
8、选样,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),基本思想：首先为每个簇随意选择选择一个代表对象;剩余的对象根据其与代表对象的距离分配给最近的一个簇然后反复地用非代表对象来替代代表对象,以改进聚类的质量聚类结果的质量用一个代价函数来估算,该函数评估了对象与其参照对象之间的平均相异度,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),为了判定一个非代表对象Orandom 是否是当前一个代表对象Oj的好的替代,对于每一个非代表对象p,考虑下面的四种情况：第一种情况：p当前隶属于代表对象 Oj.如果Oj被Orandom所代替,且p离Oi最近,ij,那么p被重新分配给Oi 第二种情况：p当前隶属于代表对
9、象 Oj.如果Oj 被Orandom代替,且p离Orandom最近,那么p被重新分配给Orandom 第三种情况：p当前隶属于Oi，ij。如果Oj被Orandom代替，而p仍然离Oi最近，那么对象的隶属不发生变化 第四种情况：p当前隶属于Oi，ij。如果Oj被Orandom代替，且p离Orandom最近，那么p被重新分配给Orandom,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),1.重新分配给Oi 2.重新分配给Orandom,3.不发生变化 4.重新分配给Orandom,k-中心点聚类代价函数的四种情况,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),算法:k-中心点(1)随机选择k个对象
10、作为初始的代表对象；(2)repeat(3)指派每个剩余的对象给离它最近的代表对象所代表的簇；(4)随意地选择一个非代表对象Orandom；(5)计算用Orandom代替Oj的总代价S；(6)如果S0，则用Orandom替换Oj，形成新的k个代表对象的集合；(7)until 不发生变化,2023/3/24,PAM,PAM(Partitioning Around Medoids)(Kaufman and Rousseeuw,1987)是最早提出的k-中心点聚类算法基本思想:随机选择k个代表对象反复地试图找出更好的代表对象:分析所有可能的对象对，每个对中的一个对象被看作是代表对象,而另一个不是.对
11、可能的各种组合,估算聚类结果的质量,2023/3/24,PAM(续),Total Cost=20,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,K=2,Arbitrary choose k object as initial medoids,Assign each remaining object to nearest medoids,Randomly select a nonmedoid object,Oramdom,Compute total cost of swapping,Total Cost=26,Swapping O and Oramd
12、om If quality is improved.,Do loopUntil no change,2023/3/24,PAM(续),当存在噪音和孤立点时,PAM 比 k-平均方法更健壮.这是因为中心点不象平均值那么容易被极端数据影响 PAM对于小数据集工作得很好,但不能很好地用于大数据集 每次迭代O(k(n-k)2)其中 n 是数据对象数目,k 是聚类数基于抽样的方法,CLARA(Clustering LARge Applications),2023/3/24,CLARA(Clustering Large Applications)(1990),CLARA(Kaufmann and Rous
13、seeuw in 1990)不考虑整个数据集,而是选择数据的一小部分作为样本它从数据集中抽取多个样本集,对每个样本集使用PAM,并以最好的聚类作为输出优点:可以处理的数据集比 PAM大缺点:有效性依赖于样本集的大小基于样本的好的聚类并不一定是 整个数据集的好的聚类,样本可能发生倾斜 例如,Oi是最佳的k个中心点之一,但它不包含在样本中,CLARA将找不到最佳聚类,2023/3/24,CLARA-效率,由取样大小决定PAM 利用完整资料集CLARA 利用取样资料集盲点：取样范围不包含最佳解,Trade-off,24,2023/3/24,CLARA 改良,解決：CLARANS(Clustering
14、 Large Application based upon RANdomized Search)应用 graph考虑紧邻节点不局限于区域性负杂度：O(n2)缺点,25,2023/3/24,CLARANS(“Randomized”CLARA)(1994),CLARANS(A Clustering Algorithm based on Randomized Search)(Ng and Han94)CLARANS将采样技术和PAM结合起来CLARA在搜索的每个阶段有一个固定的样本CLARANS任何时候都不局限于固定样本,而是在搜索的每一步带一定随机性地抽取一个样本 聚类过程可以被描述为对一个图的搜
15、索,图中的每个节点是一个潜在的解,也就是说 k-medoids相邻节点：代表的集合只有一个对象不同在替换了一个代表对象后得到的聚类结果被称为当前聚类结果的邻居,2023/3/24,CLARANS(续),如果一个更好的邻居被发现,CLARANS移到该邻居节点,处理过程重新开始,否则当前的聚类达到了一个局部最优如果找到了一个局部最优,CLARANS从随机选择的节点开始寻找新的局部最优实验显示CLARANS比PAM和CLARA更有效 CLARANS能够探测孤立点 聚焦技术和空间存取结构可以进一步改进它的性能(Ester et al.95),2023/3/24,综合比较,精確度,速度,28,2023/
16、3/24,作业,编程实现K-means算法针对UCI的waveform数据集中每类数据取100个；对一副无噪图像进行分割；编程实现PAM对部分waveform数据集加20%的高斯噪声；同时对一副噪声图像进行分割；编程实现CLARA在全部的waveform数据集上的聚类；due date：4月25日,2023/3/24,K-means聚类算法（续）,分组:将样本分配给距离它们最近的中心向量，并使目标函数值减小确定中心:亦须有助于减小目标函数值,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),1.重新分配给Oi 2.重新分配给Orandom,3.不发生变化 4.重新分配给Orandom,k-中心点聚类代价函数的四种情况,2023/3/24,k-中心点聚类方法(续),基本思想：首先为每个簇随意选择选择一个代表对象;剩余的对象根据其与代表对象的距离分配给最近的一个簇然后反复地用非代表对象来替代代表对象,以改进聚类的质量聚类结果的质量用一个代价函数来估算,该函数评估了对象与其参照对象之间的平均相异度,
