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R语言的三种聚类方法
2016-03-21
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R语言的三种聚类方法

对于R语言,相信做数据分析的来说,一定不陌生,那么对于R语言的三种聚类方法你是否应用的全面,下面就说一下?

一、层次聚类

1)距离和相似系数

r语言中使用dist(x, method = “euclidean”,diag = FALSE, upper = FALSE, p = 2) 来计算距离。其中x是样本矩阵或者数据框。method表示计算哪种距离。method的取值有:
euclidean                欧几里德距离,就是平方再开方。
maximum                切比雪夫距离
manhattan            绝对值距离
canberra                Lance 距离
minkowski            明科夫斯基距离,使用时要指定p值
binary                    定性变量距离.
定性变量距离: 记m个项目里面的 0:0配对数为m0 ,1:1配对数为m1,不能配对数为m2,距离=m1/(m1+m2);
diag 为TRUE的时候给出对角线上的距离。upper为TURE的时候给出上三角矩阵上的值。

r语言中使用scale(x, center = TRUE, scale = TRUE) 对数据矩阵做中心化和标准化变换。
如只中心化 scale(x,scale=F) ,

r语言中使用sweep(x, MARGIN, STATS, FUN=”-“, …) 对矩阵进行运算。MARGIN为1,表示行的方向上进行运算,为2表示列的方向上运算。STATS是运算的参数。FUN为运算函数,默认是减法。下面利用sweep对矩阵x进行极差标准化变换


有时候我们不是对样本进行分类,而是对变量进行分类。这时候,我们不计算距离,而是计算变量间的相似系数。常用的有夹角和相关系数。
r语言计算两向量的夹角余弦:


相关系数用cor函数

2)层次聚类

层次聚类法。先计算样本之间的距离。每次将距离最近的点合并到同一个类。然后,再计算类与类之间的距离,将距离最近的类合并为一个大类。不停的合并,直到合成了一个类。其中类与类的距离的计算方法有:最短距离法,最长距离法,中间距离法,类平均法等。比如最短距离法,将类与类的距离定义为类与类之间样本的最段距离。。。
r语言中使用hclust(d, method = “complete”, members=NULL) 来进行层次聚类
其中d为距离矩阵。
method表示类的合并方法,有:
single            最短距离法
complete        最长距离法
median        中间距离法
mcquitty        相似法
average        类平均法
centroid        重心法
ward            离差平方和法


150200_ftUB_1047640


然后可以用rect.hclust(tree, k = NULL, which = NULL, x = NULL, h = NULL,border = 2, cluster = NULL)来确定类的个数。 tree就是求出来的对象。k为分类的个数,h为类间距离的阈值。border是画出来的颜色,用来分类的。


result=cutree(model,k=3) 该函数可以用来提取每个样本的所属类别



二、动态聚类k-means

层次聚类,在类形成之后就不再改变。而且数据比较大的时候更占内存。
动态聚类,先抽几个点,把周围的点聚集起来。然后算每个类的重心或平均值什么的,以算出来的结果为分类点,不断的重复。直到分类的结果收敛为止。r语言中主要使用kmeans(x, centers, iter.max = 10, nstart = 1,algorithm =c(“Hartigan-Wong”, “Lloyd”,”Forgy”, “MacQueen”))来进行聚类。centers是初始类的个数或者初始类的中心。iter.max是最大迭代次数。nstart是当centers是数字的时候,随机集合的个数。algorithm是算法,默认是第一个。

使用knn包进行Kmean聚类分析

将数据集进行备份,将列newiris$Species置为空,将此数据集作为测试数据集
> newiris <- iris
> newiris$Species <- NULL

在数据集newiris上运行Kmean聚类分析, 将聚类结果保存在kc中。在kmean函数中,将需要生成聚类数设置为3
> (kc <- kmeans(newiris, 3))
K-means clustering with 3 clusters of sizes 38, 50, 62: K-means算法产生了3个聚类,大小分别为38,50,62.

Cluster means: 每个聚类中各个列值生成的最终平均值
Sepal.Length Sepal.Width Petal.Length Petal.Width
1     5.006000    3.428000     1.462000    0.246000
2     5.901613    2.748387     4.393548    1.433871
3     6.850000    3.073684     5.742105    2.071053

Clustering vector: 每行记录所属的聚类(2代表属于第二个聚类,1代表属于第一个聚类,3代表属于第三个聚类)
[1] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
[37] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
[73] 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 3 3 3 3 2 3
[109] 3 3 3 3 3 2 2 3 3 3 3 2 3 2 3 2 3 3 2 2 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 2 3 3 3 2 3
[145] 3 3 2 3 3 2

Within cluster sum of squares by cluster: 每个聚类内部的距离平方和
[1] 15.15100 39.82097 23.87947
(between_SS / total_SS =  88.4 %) 组间的距离平方和占了整体距离平方和的的88.4%,也就是说各个聚类间的距离做到了最大

Available components: 运行kmeans函数返回的对象所包含的各个组成部分
[1] “cluster”      “centers”      “totss”        “withinss”
[5] “tot.withinss” “betweenss”    “size”
(“cluster”是一个整数向量,用于表示记录所属的聚类
“centers”是一个矩阵,表示每聚类中各个变量的中心点
“totss”表示所生成聚类的总体距离平方和
“withinss”表示各个聚类组内的距离平方和
“tot.withinss”表示聚类组内的距离平方和总量
“betweenss”表示聚类组间的聚类平方和总量
“size”表示每个聚类组中成员的数量)

创建一个连续表,在三个聚类中分别统计各种花出现的次数
> table(iris$Species, kc$cluster)
1  2  3
setosa      0 50  0
versicolor  2  0 48
virginica  36  0 14

根据最后的聚类结果画出散点图,数据为结果集中的列”Sepal.Length”和”Sepal.Width”,颜色为用1,2,3表示的缺省颜色
> plot(newiris[c(“Sepal.Length”, “Sepal.Width”)], col = kc$cluster)
在图上标出每个聚类的中心点
〉points(kc$centers[,c(“Sepal.Length”, “Sepal.Width”)], col = 1:3, pch = 8, cex=2)

三、DBSCAN

动态聚类往往聚出来的类有点圆形或者椭圆形。基于密度扫描的算法能够解决这个问题。思路就是定一个距离半径,定最少有多少个点,然后把可以到达的点都连起来,判定为同类。在r中的实现



dbscan(data, eps, MinPts, scale, method, seeds, showplot, countmode)



其中eps是距离的半径,minpts是最少多少个点。 scale是否标准化(我猜) ,method 有三个值raw,dist,hybird,分别表示,数据是原始数据避免计算距离矩阵,数据就是距离矩阵,数据是原始数据但计算部分距离矩阵。showplot画不画图,0不画,1和2都画。countmode,可以填个向量,用来显示计算进度。用鸢尾花试一试


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