【漫话机器学习系列】269.K-Means聚类算法(K-Means Clustering)

一、K-Means 聚类算法简介

K-Means 是一种基于距离的无监督机器学习算法,属于聚类算法(Clustering Algorithm) 。它的目标是将数据集划分为 K 个不重叠的子集(簇),使得每个子集中的数据点尽可能相似,而不同子集之间的数据点差异尽可能大。

由于其实现简单、效率高,被广泛应用于市场细分、图像压缩、社群发现、推荐系统等领域。


二、K-Means 算法原理(图解步骤)

我们先看一张图,了解 K-Means 的基本执行流程:


图源:Chris Albon

该图将 K-Means 的核心过程总结为四个步骤:

Step 1:随机初始化 K 个中心点

选择 K 个初始的聚类中心(Centroids),一般是从样本中随机挑选。K 值需要事先指定,不同的 K 值会产生不同的聚类效果。

初始中心点的选择会对最终聚类结果产生影响,K-Means++ 是一种改进的初始化方法。


Step 2:将每个样本分配到最近的中心点

对于每一个样本点,计算其与所有 K 个中心点的距离(常用欧几里得距离),并将其归入最近的中心所代表的簇。

这是"聚类"的过程,形成 K 个子集。


Step 3:更新中心点位置

对于每个簇,重新计算其所有样本的几何中心(均值),作为新的中心点。

新的中心点就是该簇中所有点坐标的平均值。


Step 4:重复步骤 2 和 3,直到收敛

不断重复样本分配(Step 2)和中心更新(Step 3) ,直到没有样本发生簇变更,或者中心点变化非常小(小于阈值),即认为算法收敛。

K-Means 会在有限次迭代后停止,通常收敛较快。


三、K-Means 算法实现(伪代码)

python 复制代码
def kmeans(X, K):
    初始化 K 个中心点(可以随机选取)
    while 中心点未收敛:
        将每个样本分配给最近的中心点
        重新计算每个簇的中心点
    return 各个簇及其中心点

你可以使用 sklearn.cluster.KMeans 模块直接调用实现:

python 复制代码
from sklearn.cluster import KMeans

kmeans = KMeans(n_clusters=3, random_state=0).fit(X)
labels = kmeans.labels_  # 每个样本所属簇
centers = kmeans.cluster_centers_  # 中心点

四、K 值选择方法

K 值对聚类质量影响极大。常见的确定方法包括:

  • 肘部法则(Elbow Method):绘制误差平方和 SSE 与 K 的关系图,寻找"拐点";

  • 轮廓系数(Silhouette Score):评估聚类的紧密度与分离度;

  • Gap Statistic:与参考模型比较聚类效果。


五、优缺点总结

优点 缺点
实现简单,计算效率高 需手动指定 K 值
适合大规模数据 对初始中心敏感
可解释性强 只适用于凸形聚类,不能处理非线性边界

六、应用场景示例

  • 客户群体划分(市场营销)

  • 图像分割(图像处理)

  • 文章/新闻主题分类

  • 商品推荐系统中的用户分群


七、结语

K-Means 是数据科学和机器学习中最基础也最重要的聚类算法之一。掌握它的原理和实现,是学习更复杂聚类模型(如 DBSCAN、Gaussian Mixture Model 等)的重要基础。

图中的简要流程总结清晰明了,建议初学者反复理解图示四步,结合代码动手实践,加深理解。

如果你觉得本文对你有帮助,欢迎点赞、收藏、关注,获取更多机器学习干货!


参考资料:

相关推荐
写的都是BUG9 分钟前
APK 里的钥匙,一直就放在门口:聊聊加固真正该做什么
前端·算法
硅谷秋水22 分钟前
DiscoveryRSI:通过递归学习发现有价值的假设
人工智能·机器学习·语言模型
地平线开发者33 分钟前
CLIP 的零样本分类:一组文本如何变成图像分类器?
算法
hkNaruto42 分钟前
【AI】游戏大模型智能体OODA过程记忆问题解决方案:AgenticSTS 有界记忆契约:技术分析与流水线改造操作手册
人工智能·游戏·机器学习
京东云开发者1 小时前
从“会生成”到“能生产”:萤火虫 AIGC 平台的 AI Infra 实践
算法·aigc·产品
youshi66681 小时前
PID——算法改进
算法
lisw052 小时前
智能化机器人系统的模块化设计自动化!
机器学习·机器人·自动化
一只不想敲代码的程序猿3 小时前
如何更高效地拆解问题?
算法
AI源码3 小时前
基于机器学习的古籍文字识别与断句校正系统
人工智能·机器学习
坐吃山猪4 小时前
果蝇AI06-Mac部署实操
人工智能·深度学习·机器学习·果蝇ai