k-means聚类算法原理简析

horizonheart 2020-07-05

k-means聚类算法原理简介

概要

K-means算法是最普及的聚类算法,也是一个比较简单的聚类算法。

算法接受一个未标记的数据集,然后将数据聚类成不同的组,同时,k-means算法也是一种无监督学习。

算法思想

k-means算法的思想比较简单,假设我们要把数据分成K个类,大概可以分为以下几个步骤:

1.随机选取k个点,作为聚类中心;
2.计算每个点分别到k个聚类中心的聚类,然后将该点分到最近的聚类中心,这样就行成了k个簇;
3.再重新计算每个簇的质心(均值);
4.重复以上2~4步,直到质心的位置不再发生变化或者达到设定的迭代次数。

算法流程图解

 下面我们通过一个具体的例子来理解这个算法(我这里用到了Andrew Ng的机器学习教程中的图):
假设我们首先拿到了这样一个数据,要把它分成两类:

k-means聚类算法原理简析

 我们人眼当然可以很快的分辨出来,可以在两个聚类间找到一条合理的分界线,

那么用k-means算法来解决这个问题会是怎样的呢?
首先我们随机选取两个点作为聚类中心(因为已经明确是分为两类):

k-means聚类算法原理简析

 接下来就可以开始计算每个点到红点和蓝点的距离了,离红点近就标记为红色,离蓝点近就标记为蓝色。结果为下图:

k-means聚类算法原理简析

 很明显,这样完全不是我们想要的结果,接下来我们进行第三步,重新计算聚类中心的位置。

k-means聚类算法原理简析

 红X和蓝X都向中间靠拢了一点。

我们可以看到,聚类中心发生改变后,其他点离两个聚类中心的距离也跟随着发生了变化。

然后我们重复第二步,根据每个点到两个聚类中心的距离远近来进行重新分类,

离红X近的归为红类,离蓝X近的归为蓝类。

k-means聚类算法原理简析

 之前站错了队伍的一些点重新进行了调整,现在的分类离我们的目标越来越近了,

但还没有达到最佳的分类效果。接下来继续重复上面的步骤,重新计算聚类中心的位置,

再重新分类,不断迭代,直至聚类中心的位置不再变化(变化范围达到设定值)或达到迭代次数为止。

k-means聚类算法原理简析

这样我们就利用k-means算法把这个数据很好的分为两类啦。
我们可以看到,在整个过程中,我们都没有去监督算法,告诉他具体是分错了还是对了,

只是在开始的时候告诉他要把这个数据分成多少类,然后后面的操作都是由他自己完成,

完全没有人为的让他进行分类的学习,也没有帮助他纠正错误,所以k-means算法也是一种无监督学习方法。
相信看到这里你对k-means算法的原理也有了一个大概的了解啦。

代价函数(Distortion function)

要是k-means最后的分类结果最好,也就是要是K-均值最小化,

是要最小化所有的数据点与其所关联的聚类中心点之间的距离之和,

因此我们可以设计 K-均值的代价函数(又称 畸变函数 Distortion function)为:

k-means聚类算法原理简析

其中μ c (i)代表与 x (i) 最近的聚类中心点。

我们的的优化目标也就是要找出使得代价函数最小的 c (1) ,c (2) ,…,c (m) 和μ 1 ,μ 2 ,…,μ k 。
我们再回顾一下刚才给出的 K-means算法的迭代过程,我们知道,第一个步骤(根据聚类中心分类)

是用于减小 c (i) 引起的代价,而第二个步骤(重新定位聚类中心)则是用于减小μ i 引起的代价

所以迭代的过程一定会是每一次迭代都在减小代价函数,如果发生迭代之后代价函数反而增加,则很可能是出现了错误。

如何选取k值

对于一个给定没有分类的数据集,最后具体应该分为多少类呢?

这确实是一个问题,比如我们前面的那个例子,通过人眼观察,很明显可以分为两类,那么我们选取K值为2,

可以得到一个比较好的聚类结果。那如果K选择3或者其他值行不行呢?当然也可以。

比如下图,有一个数据经过统计之后发现随着K值的增加其畸变函数在不断变小,但是我们发现在k=3时,

畸变函数随着k值变化的幅度显著降低,在k>3之后所带来的好处并不是特别明显,

以我们可以选择k=3作为我们的聚类数目。由于其形状像我们人类的肘部,我们也称其为“肘部法则”。

k-means聚类算法原理简析

但是实际应用中,k值的变换规律都不是和上图一样存在突变点,多数情况如下图所示: 

k-means聚类算法原理简析

 随着k值的增大,其畸变函数也随着不断减小,根本就不存在明显的拐点。

那么这种情况,K值的选择主要还是根据经验以及利用k-means聚类的目的来决定。

聚类中心的初始化

前面提到代价函数的建立,可以方便我们来对k-means算法的结果进行优化,

方便我们察觉出算法迭代过程中的收敛问题,是否达到局部最小化,或者检查算法迭代过程中是否出现问题。

而通过k值的选取也可能使我们的代价函数尽量的减小,以得到更好的聚类效果。那么还有什么其他优化的方法呢?
我们还可以通过选取更优的聚类中心来优化聚类效果。
上面的例图是一个简单的二分类问题,并且不同类之间的界限也比较明显,最后我们得到的聚类结果也相对比较理想。但实际上聚类中心选择的不同,最终的聚类结果肯定也是会不一样的。
比如对于下面这张图:

k-means聚类算法原理简析k-means聚类算法原理简析

我把初始的聚类中心选择在这两个不同的位置,最后导致的分类结果和迭代次数都会不一样。

聚类中心的选取主要还是以随机为主,并且初始的时候最好是选择数据中的点。
对于多分类,甚至还会出现下面这种情况:

 

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最后很可能仅仅实现了局部最优,把本来不是一类的多个类分为了一类,或者把本来是一类的分成了多个类,

这些都是有可能的。那么对于这种情况怎么办呢?
对于聚类数目K值较小(K<10)的情况下,我们可以多次随机选取不同聚类中心,最后比较各自迭代完成后的畸变函数值,

畸变函数越小,则说明聚类效果更优。但是在k值较大的情况下,比如上百类甚至上千万类,

这时候重新选取不同的聚类中心可能就没有很好的效果了。

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