京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
k-means聚类”—数据分析、数据挖掘
一、概要
区分两个概念:
hard clustering:一个文档要么属于类w,要么不属于类w,即文档对确定的类w是二值的1或0。
soft clustering:一个文档可以属于类w1,同时也可以属于w2,而且文档属于一个类的值不是0或1,可以是0.3这样的小数。
K-Means就是一种hard clustering,所谓K-means里的K就是我们要事先指定分类的个数,即K个。
k-means算法的流程如下:
1)从N个文档随机选取K个文档作为初始质心
2)对剩余的每个文档测量其到每个质心的距离,并把它归到最近的质心的类
3)重新计算已经得到的各个类的质心
4)迭代2~3步直至满足既定的条件,算法结束
在K-means算法里所有的文档都必须向量化,n个文档的质心可以认为是这n个向量的中心,计算方法如下:
这里加入一个方差RSS的概念:
RSSk的值是类k中每个文档到质心的距离,RSS是所有k个类的RSS值的和。
算法结束条件:
1)给定一个迭代次数,达到这个次数就停止,这好像不是一个好建议。
2)k个质心应该达到收敛,即第n次计算出的n个质心在第n+1次迭代时候位置不变。
3)n个文档达到收敛,即第n次计算出的n个文档分类和在第n+1次迭代时候文档分类结果相同。
4)RSS值小于一个阀值,实际中往往把这个条件结合条件1使用
回过头用RSS讨论质心的计算方法是否合理
为了取得RSS的极小值,RSS对质心求偏导数应该为0,所以得到质心
可见,这个质心的选择是合乎数学原理的。
K-means方法的缺点是聚类结果依赖于初始选择的几个质点位置,看下面这个例子:
如果使用2-means方法,初始选择d2和d5那么得到的聚类结果就是{d1,d2,d3}{d4,d5,d6},这不是一个合理的聚类结果
解决这种初始种子问题的方案:
1)去处一些游离在外层的文档后再选择
2)多选一些种子,取结果好的(RSS小)的K个类继续算法
3)用层次聚类的方法选择种子。我认为这不是一个合适的方法,因为对初始N个文档进行层次聚类代价非常高。
以上的讨论都是基于K是已知的,但是我们怎么能从随机的文档集合中选择这个k值呢?
我们可以对k去1~N分别执行k-means,得到RSS关于K的函数下图:
当RSS由显著下降到不是那么显著下降的K值就可以作为最终的K,如图可以选择4或9。
四、算法及示例
k 均值算法的计算过程非常直观:
1、从D 中随机取k 个元素,作为k 个簇的各自的中心。
2、分别计算剩下的元素到k 个簇中心的相异度,将这些元素分别划归到相异度最低的簇。
3、根据聚类结果,重新计算k 个簇各自的中心,计算方法是取簇中所有元素各自维度的算术平均数。
4、将D 中全部元素按照新的中心重新聚类。
5、重复第4 步,直到聚类结果不再变化。
6、将结果输出。
由于算法比较直观,没有什么可以过多讲解的。下面,我们来看看k-means 算法一个有趣的应用示例:中国男足近几年到底在亚洲处于几流水平?
今年中国男足可算是杯具到家了,几乎到了过街老鼠人人喊打的地步。对于目前中国男足在亚洲的地位,各方也是各执一词,有人说中国男足亚洲二流,有人说三流,还有人说根本不入流,更有人说其实不比日韩差多少,是亚洲一流。既然争论不能解决问题,我们就让数据告诉我们结果吧。
下图是采集的亚洲15 只球队在2005 年-2010 年间大型杯赛的战绩(由于澳大利亚是后来加入亚足联的,所以这里没有收录)。
其中包括两次世界杯和一次亚洲杯。我提前对数据做了如下预处理:对于世界杯,进入决赛圈则取其最终排名,没有进入决赛圈的,打入预选赛十强赛赋予40,预选赛小组未出线的赋予50。对于亚洲杯,前四名取其排名,八强赋予5,十六强赋予9,预选赛没出现的赋予17。这样做是为了使得所有数据变为标量,便于后续聚类。
下面先对数据进行[0,1]规格化,下面是规格化后的数据:
其中包括两次世界杯和一次亚洲杯。我提前对数据做了如下预处理:对于世界杯,进入决赛圈则取其最终排名,没有进入决赛圈的,打入预选赛十强赛赋予40,预选赛小组未出线的赋予50。对于亚洲杯,前四名取其排名,八强赋予5,十六强赋予9,预选赛没出现的赋予17。这样做是为了使得所有数据变为标量,便于后续聚类。
下面先对数据进行[0,1]规格化,下面是规格化后的数据:
从做到右依次表示各支球队到当前中心点的欧氏距离,将每支球队分到最近的簇,可对各支球队做如下聚类:
中国C,日本A,韩国A,伊朗A,沙特A,伊拉克C,卡塔尔C,阿联酋C,乌兹别克斯坦B,泰国C,越南C,阿曼C,巴林B,朝鲜B,印尼C。
第一次聚类结果:
A:日本,韩国,伊朗,沙特;
B:乌兹别克斯坦,巴林,朝鲜;
C:中国,伊拉克,卡塔尔,阿联酋,泰国,越南,阿曼,印尼。
下面根据第一次聚类结果,调整各个簇的中心点。
A 簇的新中心点为: {(0.3+0+0.24+0.3)/4=0.21,(0+0.15+0.76+0.76)/4=0.4175,(0.19+0.13+0.25+0.06)/4=0.1575} = {0.21, 0.4175, 0.1575}
用同样的方法计算得到B 和C 簇的新中心点分别为{0.7, 0.7333, 0.4167},{1, 0.94,0.40625}。
用调整后的中心点再次进行聚类,得到:
第二次迭代后的结果为:
中国C,日本A,韩国A,伊朗A,沙特A,伊拉克C,卡塔尔C,阿联酋C,乌兹别克斯坦B,泰国C,越南C,阿曼C,巴林B,朝鲜B,印尼C。
结果无变化,说明结果已收敛,于是给出最终聚类结果:
亚洲一流:日本,韩国,伊朗,沙特
亚洲二流:乌兹别克斯坦,巴林,朝鲜
亚洲三流:中国,伊拉克,卡塔尔,阿联酋,泰国,越南,阿曼,印尼
看来数据告诉我们,说国足近几年处在亚洲三流水平真的是没有冤枉他们,至少从国际杯赛战绩是这样的。
其实上面的分析数据不仅告诉了我们聚类信息,还提供了一些其它有趣的信息,例如从中可以定量分析出各个球队之间的差距,例如,在亚洲一流队伍中,日本与沙特水平最接近,而伊朗则相距他们较远,这也和近几年伊朗没落的实际相符。另外,乌兹别克斯坦和巴林虽然没有打进近两届世界杯,不过凭借预算赛和亚洲杯上的出色表现占据B 组一席之地,而朝鲜由于打入了2010 世界杯决赛圈而有幸进入B 组,可是同样奇迹般夺得2007年亚洲杯的伊拉克却被分在三流,看来亚洲杯冠军的分量还不如打进世界杯决赛圈重啊。其它有趣的信息,有兴趣的朋友可以进一步挖掘。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在回归分析的结果解读中,R方(决定系数)是衡量模型拟合效果的核心指标——它代表因变量的变异中能被自变量解释的比例,取值通 ...
2025-12-04在城市规划、物流配送、文旅分析等场景中,经纬度热力图是解读空间数据的核心工具——它能将零散的GPS坐标(如外卖订单地址、景 ...
2025-12-04在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的指标体系中,“通用指标”与“场景指标”并非相互割裂的两个部分,而是支撑业务分 ...
2025-12-04每到“双十一”,电商平台的销售额会迎来爆发式增长;每逢冬季,北方的天然气消耗量会显著上升;每月的10号左右,工资发放会带动 ...
2025-12-03随着数字化转型的深入,企业面临的数据量呈指数级增长——电商的用户行为日志、物联网的传感器数据、社交平台的图文视频等,这些 ...
2025-12-03在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工作体系中,“指标”是贯穿始终的核心载体——从“销售额环比增长15%”的业务结论 ...
2025-12-03在神经网络训练中,损失函数的数值变化常被视为模型训练效果的“核心仪表盘”——初学者盯着屏幕上不断下降的损失值满心欢喜,却 ...
2025-12-02在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“用部分数据推断整体情况”是高频需求——从10万条订单样本中判断全 ...
2025-12-02在数据预处理的纲量统一环节,标准化是消除量纲影响的核心手段——它将不同量级的特征(如“用户年龄”“消费金额”)转化为同一 ...
2025-12-02在数据驱动决策成为企业核心竞争力的今天,A/B测试已从“可选优化工具”升级为“必选验证体系”。它通过控制变量法构建“平行实 ...
2025-12-01在时间序列预测任务中,LSTM(长短期记忆网络)凭借对时序依赖关系的捕捉能力成为主流模型。但很多开发者在实操中会遇到困惑:用 ...
2025-12-01引言:数据时代的“透视镜”与“掘金者” 在数字经济浪潮下,数据已成为企业决策的核心资产,而CDA数据分析师正是挖掘数据价值的 ...
2025-12-01数据分析师的日常,常始于一堆“毫无章法”的数据点:电商后台导出的零散订单记录、APP埋点收集的无序用户行为日志、传感器实时 ...
2025-11-28在MySQL数据库运维中,“query end”是查询执行生命周期的收尾阶段,理论上耗时极短——主要完成结果集封装、资源释放、事务状态 ...
2025-11-28在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工具包中,透视分析方法是处理表结构数据的“瑞士军刀”——无需复杂代码,仅通过 ...
2025-11-28在统计分析中,数据的分布形态是决定“用什么方法分析、信什么结果”的底层逻辑——它如同数据的“性格”,直接影响着描述统计的 ...
2025-11-27在电商订单查询、用户信息导出等业务场景中,技术人员常面临一个选择:是一次性查询500条数据,还是分5次每次查询100条?这个问 ...
2025-11-27对数据分析从业者和学生而言,表结构数据是最基础也最核心的分析载体——CRM系统的用户表、门店的销售明细表、仓库的库存表,都 ...
2025-11-27在业务数据可视化中,热力图(Heat Map)是传递“数据密度与分布特征”的核心工具——它通过颜色深浅直观呈现数据值的高低,让“ ...
2025-11-26在企业数字化转型中,业务数据分析师是连接数据与决策的核心纽带。但“数据分析师”并非单一角色,从初级到高级,其职责边界、能 ...
2025-11-26