聚类算法对比

K-Means

算法流程(密度聚类)

1)随机初始化k个组,求其中心点作为初始簇的中心点。

2)计算每个数据点到中心点的距离,数据点距离哪个中心点最近就划分到哪一类中。

3)计算每一类中中心点作为新的中心点。

4)重复,直到每一类中心在每次迭代后变化不大为止。(也可以多次随机初始化中心点,然后选择运行结果最好的一个。)

优点:收敛速度快;计算简便;可解释性强。

缺点:如何设k值;对于非凸数据集难以准确收敛;类别不平衡结果不佳;局部最优;噪声敏感。

优化:K-Medians,用中位数代替均值,减少异常值的影响;但是数据排序求中位数的过程使速度变慢。


DBSCAN

算法流程

1)确定密度阈值和邻域半径。从一个没有被访问过的任意数据点开始,以这个点为中心,r为半径的圆内包含的点的数量是否大于或等于minPoints,如果大于或等于minPoints则改点被标记为中心点,反之标记为噪声点。 

2)重复1的步骤,如果一个噪声点存在于某个中心点为半径的圆内,则这个点被标记为边缘点,反之仍为噪声点。

3)重复步骤1,直至所有的点都被访问过。

优点:不需要知道簇的数量;可检测任意形状簇;噪声不敏感。

缺点:需要确定距离r和minPoints;收敛时间长;不平衡数据结果不好。


Mean-Shift

算法流程(基于滑动窗口)

1)在未被标记的数据点中随机选择一个点作为起始中心点center;

2)找出以center为中心半径为R的区域中出现的所有数据点,认为这些点同属于一个簇。同时在该聚类中记录数据点出现的次数加1。

3)以center为中心点,落在窗口圆中的所有点和圆心都会对应的一个向量,把所有这些向量相加,最终我们只得到一个向量,就是meanshift向量。

4)移动窗口(以meanshift向量的终点为新的圆心),计算窗口内的中心点以及窗口内的密度,直到没有方向在窗口内可以容纳更多的点,即一直移动到圆内密度不再增加为止。

5)重复4)直至shift的很小,此时的中心点就是该簇的中心,这个迭代过程中的所有窗口内的点都属于该簇。

6)如果收敛时当前簇C的center与其它已经存在的簇C2中心的距离小于阈值,那么把簇合并,数据点出现次数也对应合并。

7)重复,直到所有的点都被标记为已访问。

优点:不需要提前知道簇的数量;相比K-Means来说受均值影响较小

缺点:需要确定R(R的选择可能不重要)


GMM

算法流程

1)选择簇的数量,随机初始化每个簇的高斯分布参数(均值和方差)。(也可以先观察数据给出一个相对精确的均值和方差。 )

2)给定每个簇的高斯分布,计算每个数据点属于每个簇的概率。(一个点越靠近高斯分布的中心就越可能属于该簇。)

3)基于概率,计算高斯分布参数使得数据点的概率最大化,可以使用数据点概率的加权来计算这些新的参数,权重就是数据点属于该簇的概率。

4)重复迭代2和3直到在迭代中的变化不大。

优点:簇可以呈现出椭圆形而不是仅仅限制于圆形。(K-Means是GMMs的一个特殊情况,是方差在所有维度上都接近于0时簇就会呈现出圆形。);使用概率,所以一个数据点可以属于多个簇,也就是说GMMs可以支持混合资格。

缺点:形状不是任意的;需要提前确定簇数。

优化:常先用K-Means初步计算,再输入至GMM。


凝聚层次聚类

算法流程

1)将每个数据点视为一个单一的簇,选择一个测量两个簇之间距离的度量标准。

2)每次迭代,将两个具有最小距离的簇合并成为一个簇。

3)重复2),直至所有数据点合并成一个簇,然后选择需要的簇。

优点:不需要知道有多少个簇 ;对距离度量标准的选择不敏感。

缺点:效率低。

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