大数据-212 数据挖掘 机器学习理论 - 无监督学习算法 KMeans 基本原理 簇内误差平方和

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章节内容

上节我们完成了如下的内容:

  • 逻辑回归 scikit-learn 实现 剩余部分
  • max_iter 分类方式选参数

基本概念

决策树、线性和逻辑回归都比较常用的机器学习算法,他们虽然有着不同的功能,但却属于有监督学习的一部分,模型在训练的时候,需要特征矩阵 X,也需要真实标签 Y。机器学习当中,还有相当一部分属于无监督学习,无监督的算法在训练的时候只需要特征矩阵 X,不需要标签。无监督学习的代表算法有聚类算法、降维算法。

聚类算法又叫做:"无监督分类",其目的是将数据划分成有意义或有用的组(或簇)。这种划分可以基于我们的业务需求或建模需求来完成,也可以单纯的帮助我们探索数据的自然结构和分布。

比如商业中,如果我们手头上大量的当前和潜在客户的信息,我们可以使用聚类将客户划分为若干组,以便于进一步分析和开展营销活动,最有名的客户价值判断模型 RFM(Recency frequency monetary),就常常和聚类分析共同使用。再比如,聚类可以用于降维和矢量量化(vector quantization),可以将高维特征压缩到一列当中,常常用于图像、声音、视频等非结构化数据,可以大幅度压缩数据量。

对比他们的特征

聚类算法是无监督类机器学习算法中最常用的一类,其目的是将数据划分成有意义或有用的组(也被称为簇)。这种划分可以基于我们的业务需求或建模需求来完成,也可以单纯的帮助我们探索数据的自然结构和分布。如果目标是划分成有意义的组,则簇应该捕获数据的自然结构。然而,在某种意义下,聚类分析知识解决其他问题(如数据汇总)的起点。无论是皆在理解还是应用,聚类分析都在广泛的领域扮演着重要角色。这些领域包括:心理学和其他社会科学、生物学、统计学、模式识别、信息检索、机器学习、数据挖掘。

聚类分析在许多实际问题上都有应用,下面是一些具体的例子,按聚类目的是为了理解数据自然结构还用于数据处理来组织。

K-Means

基本原理

关键概念:簇和质心

K-Means是一种经典的无监督学习聚类算法,主要用于将一组数据划分为K个簇(Clusters),其中K是用户预先定义的聚类数量。它的目标是使得同一簇内的数据点之间的距离尽可能接近,而不同簇的数据点之间的距离尽可能远。

KMeans 算法将一组 N 个样本特征矩阵 X 划分为 K 个无交集的簇,直观上来看簇是一组一组聚集在一起的数据,在一个簇中的数据就认为是同一类,簇就是聚类的结果表现。

簇中所有数据的均值通常被称为这个簇的质心(centroids)。在一个二维平面中,一簇数据带你的质心的横坐标就是这一簇数据点的横坐标的均值,质心的纵坐标就是这一簇数据的纵坐标的均值。同理可推导到高维空间。

在 KMeans 算法中,簇的个数 K 是一个超参数,需要我们人为输入来确定。KMeans的核心任务就是根据我们设定好的 K,找出 K 个最优的质心,并将离这些质心最近的数据分别分配到这些质心代表的簇中去。

工作过程

K-Means 的执行步骤如下:

  • 初始化簇中心(质心):随机选择K个数据点作为初始簇中心,称为质心(Centroid)。
  • 分配数据点到簇:对于每一个数据点,计算它到每个质心的欧式距离,并将该数据点分配到距离最近的簇。这样就可以得到K个初始簇。
  • 更新质心:对于每一个簇,计算该簇内所有数据点的平均位置,将该平均位置作为新的质心。
  • 迭代更新:重复步骤2和步骤3,直到质心位置不再发生明显变化(即达到收敛)或达到最大迭代次数。

具体过程

具体过程可总结如下:

  • 创建 K 个点作为初始质心(通常随机选择)
  • 当任意一个点的簇分配结果发生改变时:计算质心与数据点之间的距离、将数据点分配到离其最近的簇
  • 对每个簇,计算簇中所有点的均值并将均值作为新的质心
  • 直到簇不再发生变化或者达到最大的迭代次数

那么什么情况下,我们的质心位置不再发生变化呢?

当我们找到一个质心,在每次迭代中被分配到这个质心上的样本都是一致的,即每次新生成的簇是一致的,所有的样本点都不会再从一个簇转移到另一个簇,质心就不会变化了。

这个过程可以由下图来显示,我们规定,将数据分为 4(K=4),其中白色 X 代表质心位置:

在数据的多次迭代下(iteration),就会:

第六次迭代之后,基本上质心的位置就不会再改变了,生成的簇也变得稳定,此时我们的聚类就完成了,我们可以明显看出,K-Means 按照数据的分布,将数据聚集成了我们规定的 4 类,接下来我们就可以按照我们的业务求或者算法需求,对四类数据进行不同的处理。

簇内误差平方和

聚类算法出的类有什么含义呢?这些类有什么样的性质?我们认为,被分在同一个簇中的数据是有相似的,而不同的簇中的数据是不同的,当聚类完毕之后,我们就要分别去研究每个簇中的样本都有什么样的性质,从而根据业务需求定制不同的商业或者科技策略。

聚类算法的目的就是追求"簇内差异小,簇外差异大"。而这个差异,由样本到其所在簇的质心的距离来衡量。

对于一个簇来说,所有样本点质心的距离之和越小,我们就认为这个簇中的样本越相似,簇内差距离来衡量。

对于一个簇来说,所有样本点到执行距离之和越小,我们就认为这个簇中的样本越来越相似,簇内差异就越小,而距离的衡量方法由多种。

假设:

  • x 表示簇中的一个样本点
  • u 表示该簇中的质心
  • n 表示每个样本点中的特征数目
  • i 表示组成点 x 的每个特征编号

则该样本到质心距离可以由以下距离来衡量:

如果我们采用欧几里得距离,则一个簇中所有样本点的质心距离的平方和为:

  • 其中,m 为一个簇中样本的个数
  • j 是每个样本的编号

这个公式被称为簇内平方和(cluster sum of square),又叫做 Inertia。

而将一个数据集中的所有簇的簇内平方和相加,就得到了整体的平方和(Total Cluster Sum Of Square),又叫做 Total Inertia。

Total Intertia 越小,代表着每个簇内样本越相似,聚类的效果就越好。

因此 KMeans 追求的是,求解能够让 Inertia 最小化的质心。

实际上,在质心不断变化不断迭代的过程中,总体平方和是越来越小的,当整体平方和最小的时候,质心就不再发生变化了。

大家可以发现,我们的 Intertia 是基于欧几里得距离的计算公式得来的。实际上,我们也可以使用其他距离,每个距离都有自己对应的 Inertia。在过去的经验中,我们总结出距离所对应的质心选择方法和 Inertia,在 KMeans 中,只要使用了正确的质心和距离组合,无论使用什么样的距离,都可以达到不错的聚类效果:

而这些组合,都可以由严格的数学证明来推导,在实际中我们往往都使用欧式距离,因此我们无需去担忧这些距离所搭配的质心选择是如何得来的。

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