103-模式识别-聚类算法-03
各种聚类算法的比较
各种聚类算法的比较聚类算法是一种将数据按照相似性分组的无监督学习方法。
在数据分析和机器学习中,聚类算法被广泛应用于数据挖掘、模式识别、图像处理等领域。
本文将介绍几种常见的聚类算法,并对它们进行比较。
1. K-means算法K-means算法是最常见的聚类算法之一,它将数据划分为K个集群,每个集群包含最接近其均值的数据点。
该算法迭代地更新集群的均值,直到满足收敛条件。
K-means算法简单、高效,适用于大型数据集。
然而,它对异常值和噪声敏感,并且对初始聚类中心的选择非常敏感。
2.层次聚类算法层次聚类算法是一种自底向上或自顶向下的聚类方法,它通过计算数据点之间的相似性构建一个聚类层次结构。
这种层次结构可以以树状图的形式表示,称为树状图聚类。
层次聚类算法的优点是不需要指定聚类个数,且能够处理任意形状的聚类。
然而,该算法的计算复杂度较高,并且对输入数据的规模和噪声敏感。
3.密度聚类算法密度聚类算法通过计算数据点周围的密度来确定聚类结构。
DBSCAN是最常见的密度聚类算法之一,它通过指定半径和邻域密度来定义聚类。
DBSCAN能够识别任意形状的聚类,并且对噪声和异常值具有较高的鲁棒性。
然而,密度聚类算法对参数的选择非常敏感,并且对高维数据和不同密度的聚类效果较差。
4.基于概率的聚类算法基于概率的聚类算法假设数据服从其中一种概率分布,并通过最大化似然函数来进行聚类。
GMM (Gaussian Mixture Model) 是一种常见的基于概率的聚类算法,它假设数据由多个高斯分布组成。
GMM算法能够分离具有不同协方差的聚类,适用于高维数据和非球状的聚类。
然而,该算法对初始参数的选择敏感,并且计算复杂度较高。
5.划分聚类算法划分聚类算法将数据划分为互斥的聚类,然后通过迭代地重新分配数据点来优化聚类质量。
PAM (Partitioning Around Medoids) 和CLARA (Clustering Large Applications)是常见的划分聚类算法。
数据挖掘中聚类算法研究综述
数据挖掘中聚类算法研究综述随着数据量的不断增加,数据挖掘成为了探索数据背后规律的一种重要方法。
而聚类算法作为数据挖掘中的一种基本技术,其在数据分析、模式识别、生物信息学、社交网络分析等领域都有着广泛的应用。
本文就对数据挖掘中的聚类算法进行了研究和总结,旨在对聚类算法的原理、特点、应用等方面进行探讨。
一、聚类算法的基本原理聚类算法是指将一组对象划分为若干个组或类,使得组内对象之间的相似度尽可能大,组间对象之间的相似度尽可能小,从而达到数据分类和分析的目的。
聚类算法的基本原理包括以下三个方面:1. 相似度度量:聚类算法的基础在于相似度度量,即将每个对象之间的相似度进行计算。
相似度度量可以采用欧几里得距离、曼哈顿距离、余弦相似度等多种方法。
2. 聚类分配:聚类分配是指将每个对象划分到合适的聚类中。
聚类分配可以通过最近邻法、k-means算法等实现。
3. 聚类更新:聚类更新是指对各个聚类进行调整,使得聚类内对象之间的相似度尽可能大,聚类间对象之间的相似度尽可能小。
聚类更新可以采用层次聚类法、DBSCAN算法等。
二、聚类算法的分类根据聚类算法的不同特点和应用场景,可以将聚类算法分为以下几种类型:1. 基于距离的聚类算法:包括最近邻法、k-means算法、k-medoid 算法等。
2. 基于密度的聚类算法:包括DBSCAN算法、OPTICS算法等。
3. 基于层次的聚类算法:包括凝聚层次聚类法、分裂层次聚类法等。
4. 基于模型的聚类算法:包括高斯混合模型聚类、EM算法等。
三、聚类算法的应用聚类算法在各种领域中都有着广泛的应用,包括数据分析、模式识别、社交网络分析、生物信息学等。
下面简单介绍一下聚类算法在这些领域中的应用:1. 数据分析:聚类算法可以对数据进行分类和分组,从而提取出数据中的规律和趋势,帮助人们更好地理解和利用数据。
2. 模式识别:聚类算法可以对图像、声音、文本等数据进行分类和分组,从而实现对数据的自动识别和分类。
模式识别中的聚类分析方法
模式识别中的聚类分析方法聚类分析是一种常用的机器学习方法,用于将大量数据分为不同的类别或群组,并在其中寻找共性和差异性。
在模式识别中,聚类分析可以帮助我们理解数据集中不同对象之间的关系,以及它们之间的相似性和差异性。
本文将介绍聚类分析的基本概念、算法和应用,以及一些实用的技巧和方法,以帮助读者更好地理解和应用这一方法。
一、聚类分析的基础概念在聚类分析中,我们通常会面对一个数据点集合,其特征被表示为$n$个$d$维向量$x_{i}=(x_{i1},x_{i2},…,x_{id})$。
聚类分析的目标是将这些数据点划分为$k$个不同的类别或群组$G_{1},G_{2},…,G_{k}$,并使得同一类别中的数据点相似性较高,不同类别之间的相似性较低。
为了完成这个任务,我们需要先定义一个相似性度量方法,用于计算数据点之间的距离或相似度。
常用的相似性度量方法包括欧式距离、余弦相似度、Jaccard相似度和曼哈顿距离等,具体选择哪一种方法取决于我们要研究的数据类型和应用要求。
定义了相似性度量方法后,我们可以使用聚类算法将数据点分成不同的类别。
聚类算法的主要分类包括层次聚类和基于中心点的聚类。
层次聚类是通过自下而上的方法将数据点归属到不同的类别中,以便于构建聚类树或聚类图。
基于中心点的聚类则是通过不断地计算每个数据点离其所属类别的中心点的距离来更新类别簇,直到收敛为止。
通常来说,基于中心点的聚类算法更快且更易于应用,因此被广泛应用于实际问题中。
二、聚类分析的主要算法1. K-means 聚类算法K-means 聚类算法是一种基于中心点的聚类算法,其核心思想是通过不断更新每个数据点所属的类别,同时更新该类别的中心点,直到找到最优的聚类结果。
具体而言,K-means 聚类算法首先需要预设$k$个初始的聚类中心点,然后计算每个数据点与这$k$个聚类中心的距离,并将其分配到最近的一个聚类中心点所代表的类别中。
完成初始聚类后,算法会重新计算每个类别的中心点,并根据新的中心点重新分配所有数据点,直到所有数据点都不再变换为止。
模式识别(国家级精品课程讲义)
1.1 概述-模式识别的基本方法
一、统计模式识别
理论基础:概率论,数理统计 主要方法:线性、非线性分类、Bayes决策、聚类分析 主要优点:
1)比较成熟 2)能考虑干扰噪声等影响 3)识别模式基元能力强 主要缺点: 1)对结构复杂的模式抽取特征困难 2)不能反映模式的结构特征,难以描述模式的性质 3)难以从整体角度考虑识别问题
模式类(Class):具有某些共同特性的模式 的集合。
模式识别的例子
计算机自动诊断疾病:
1. 获取情况(信息采集) 测量体温、血压、心率、 血液化验、X光透射、B超、心电图、CT等尽可 能多的信息,并将这些信息数字化后输入电脑。 当然在实际应用中要考虑采集的成本,这就是 说特征要进行选择的。
2. 运行在电脑中的专家系统或专用程序可以分析 这些数据并进行分类,得出正常或不正常的判 断,不正常情况还要指出是什么问题。
5元
反 射 光 波 形
10元
20元 50元 100元
1 2 3 4 5 6 7 8
1.1 概述-系统实例
数据采集、特征提取:
长度、宽度、磁性、磁性的位置,光反射亮度、光 透射亮度等等
特征选择:
长度、磁性及位置、反射亮度
分类识别:
确定纸币的面额及真伪
1.1 概述-系统实例
训练集:是一个已知样本集,在监督学习方法 中,用它来开发出模式分类器。
模式识别
★ 相关学科
●统计学 ●概率论 ●线性代数(矩阵计算)
●形式语言 ●人工智能 ●图像处理 ●计算机视觉
等等
讲授课程内容及安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
引论 聚类分析 判别域代数界面方程法 统计判决 学习、训练与错误率估计 最近邻方法 特征提取和选择 上机实习
模式识别技术在信号处理中的应用
模式识别技术在信号处理中的应用信号处理是将原始信号转换为更加可读和易于分析的形式的一种技术。
而在信号处理中,模式识别技术作为一种重要的手段,可以用于寻找和识别信号中的某些特征,进而实现对信号的有效处理。
一、模式识别技术概述模式识别技术是指通过对已知模式进行学习和分析,从而能够对新模式进行认知和识别的过程。
在现代信息处理中,模式识别技术已经广泛应用于图像处理、声音识别、生物信息学、机器学习等多个领域。
而在信号处理中,模式识别技术能够有效实现对信号的分类、聚类和特征提取,从而提高了信号的分析效率和判断准确率。
二、模式识别技术在信号分类中的应用信号分类是指将原始信号根据某些特定的属性或标准进行划分和分类的过程。
而在信号分类中,模式识别技术可以通过对信号的特征进行提取和分析,实现对信号进行分类和识别的目的。
例如,在语音处理中,人们可以通过采集和录音,获取到语言信号,并通过模式识别技术实现对信号的分类。
其中,可以通过获取语言信号的高频和低频分量,来区分不同的语音信号;也可以通过特征提取,将信号的频域、时域和能量等特征参数提取出来,并通过分类算法实现对不同语音信号的识别和分类。
三、模式识别技术在信号聚类中的应用信号聚类是指将信号数据根据一些特定的相似度或聚类算法进行分组和聚类的过程。
而在信号聚类中,模式识别技术可以通过对信号的特征向量进行构造和计算,从而实现信号聚类和分类的目的。
例如,在人脸识别中,可以采用PCA(Principal Component Analysis)方法对人脸图像进行特征提取,然后通过K-means算法实现对人脸图像的聚类。
而在这个过程中,模式识别技术可以自动地学习和分析人脸图像的特征向量,并通过聚类算法实现一组相似人脸图像的分类和聚合。
四、模式识别技术在信号特征提取中的应用信号特征提取是指从信号数据中提取出具有特殊意义和代表性的数据特征,从而实现对信号的处理和分析的过程。
而在信号特征提取中,模式识别技术可以通过自动化的方法,将信号的各种数学特征和物理特性进行提取和分析,从而实现对信号的特征表述和分析。
列举常用聚类算法
列举常用聚类算法聚类算法是一种将数据集中的相似数据分组的方法。
它是无监督学习的一种应用,可以在没有标签或类别信息的情况下对数据进行分类。
在机器学习和数据挖掘中,聚类算法被广泛应用于数据分析、图像处理、模式识别等领域。
本文将列举常用的聚类算法。
一、K均值聚类算法(K-means Clustering)K均值聚类算法是一种基于距离度量的聚类方法,它将数据集划分为K 个簇,每个簇包含距离其它簇最近的点。
该算法首先随机选择K个点作为初始质心,然后将每个点分配到与其距离最近的质心所在的簇中,并计算每个簇内所有点的平均值作为新的质心。
重复以上过程直到质心不再改变或达到预定迭代次数。
二、层次聚类算法(Hierarchical Clustering)层次聚类算法是一种自下而上或自上而下逐步合并或拆分簇来建立层次结构的方法。
该算法有两种实现方式:凝聚层次聚类和分裂层次聚类。
凝聚层次聚类从每个数据点开始,将它们逐步合并成越来越大的簇,直到所有点都被合并为一个簇。
分裂层次聚类从整个数据集开始,将其逐步拆分成越来越小的簇,直到每个簇只包含一个点。
三、DBSCAN聚类算法(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)DBSCAN聚类算法是一种基于密度的聚类方法,它可以识别任意形状的簇,并能够自动排除离群值。
该算法首先选择一个未访问的核心点作为起始点,并找到其可达范围内的所有点,并将它们加入同一簇中。
然后继续寻找未访问的核心点,并重复以上过程直到所有核心点都被访问完毕。
四、谱聚类算法(Spectral Clustering)谱聚类算法是一种基于图论和线性代数的聚类方法,它将数据集看作是一个图,在图上进行划分。
该算法首先构建一个相似度矩阵或邻接矩阵,并通过特征值分解或奇异值分解来获取特征向量和特征值。
然后将特征向量作为新的数据集,使用K均值或层次聚类等方法对其进行聚类。
模式识别的基本方法
模式识别的基本方法模式识别指的是对数据进行分类、识别、预测等操作的过程,它是人工智能中的一个重要分支。
在实际应用中,模式识别的基本方法主要包括以下几种。
一、特征提取特征提取指的是从原始数据中提取出有意义的特征用于分类或预测。
在模式识别中,特征提取是非常关键的一步。
因为原始数据可能存在噪声、冗余或不必要的信息,而特征提取可以通过减少数据维度、去除冗余信息等方式来提高分类或预测的准确性。
二、分类器设计分类器是模式识别中最为常用的工具,它是一种从已知数据中学习分类规则,然后将这些规则应用到新数据中进行分类的算法。
常用的分类器包括朴素贝叶斯、支持向量机、神经网络等。
分类器的设计需要考虑多种因素,包括分类精度、计算速度、内存占用等。
三、特征选择特征选择是指从原始数据中选择最具有代表性的特征,用于分类或预测。
与特征提取不同,特征选择是在原始数据的基础上进行的,它可以减少分类器的计算复杂度、提高分类精度等。
常用的特征选择方法包括卡方检验、信息增益、相关系数等。
四、聚类分析聚类分析是一种将数据按照相似度进行分组的方法,它可以帮助我们发现数据中的潜在模式和规律。
聚类分析的基本思想是将数据划分为若干个簇,每个簇内的样本相似度高,而不同簇之间的相似度较低。
常用的聚类算法包括k-means、层次聚类、密度聚类等。
五、降维算法降维算法是指通过减少数据的维度来简化数据,降低计算复杂度,同时保留数据的主要特征。
常用的降维算法包括主成分分析、因子分析、独立成分分析等。
降维算法可以帮助我们处理高维数据,减少数据冗余和噪声,提高分类或预测的准确性。
六、特征重要性评估特征重要性评估是指对特征进行排序,以确定哪些特征对分类或预测最为重要。
常用的特征重要性评估方法包括信息增益、基尼系数、决策树等。
通过特征重要性评估,我们可以选择最具有代表性的特征,提高分类或预测的准确性。
模式识别的基本方法是多种多样的,每种方法都有其适用的场景和优缺点。
模式识别的主要方法
模式识别是人工智能的一个重要应用领域,其方法主要包括以下几种:
统计模式识别:基于统计原理,利用计算机对样本进行分类。
主要方法有基于概率密度函数的方法和基于距离度量的方法。
结构模式识别:通过对基本单元(如字母、汉字笔画等)进行判断,是否符合某种规则来进行分类。
这种方法通常用于识别具有明显结构特征的文字、图像等。
模糊模式识别:利用模糊集合理论对图像进行分类。
这种方法能够处理图像中的模糊性和不确定性,提高分类的准确性。
人工神经网络:模拟人脑神经元的工作原理,通过训练和学习进行模式识别。
常见的神经网络模型有卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)等。
支持向量机(SVM):通过找到能够将不同分类的样本点最大化分隔的决策边界来进行分类。
SVM在处理高维数据和解决非线性问题时具有较好的性能。
决策树:通过树形结构对特征进行选择和分类。
决策树可以直观地表示分类的决策过程,但易出现过拟合问题。
集成学习:通过构建多个弱分类器,并将其组合以获得更强的分类性能。
常见的集成学习方法有bagging、boosting等。
在实际应用中,根据具体任务的需求和数据特点,可以选择适合的模式识别方法。
同时,也可以结合多种方法进行综合分类,以提高分类的准确性和稳定性。
聚类算法
层次聚类算法优缺点及改进算法
• 优点:适用于任意形状和任意属性的数据集,灵活控制不 同层次的聚类粒度,强聚类能力。 • 缺点:大大延长了算法的执行时间,不能回溯处理。
层次聚类方法尽管简单,但经常会遇到合并或分裂点 的选择的困难。改进层次方法的聚类质量的一个有希望的 方向是将层次聚类和其他聚类技术进行集成,形成多阶段 聚类。下面介绍两个改进的层次聚类方法BIRTH 和CURE 。
层次聚类
当采用划分聚类方法(如k-means)K值选取十分困 难时,我们不妨考虑可以考虑层次聚类。层次聚类是另一 种主要的聚类方法,它具有一些十分必要的特性使得它成 为广泛应用的聚类方法。它生成一系列嵌套的聚类树来完 成聚类。单点聚类处在树的最底层,在树的顶层有一个根 节点聚类。根节点聚类覆盖了全部的所有数据点。 可根据其聚类方式划分为:凝聚(自下而上)聚类和 分裂(自上而下)聚类。层次凝聚的代表是AGNES算法 。层次分裂的代表是DIANA算法。
BIRCH算法试图利用可用的资源来生成最好的聚类结 果。通过一次扫描就可以进行较好的聚类,故该算法的计 算复杂度是O(n),n是对象的数目。
CURE聚类算法
很多聚类算法只擅长处理球形或相似大小的聚类,另 外有些聚类算法对孤立点比较敏感。CURE算法解决了上 述两方面的问题,选择基于质心和基于代表对象方法之间 的中间策略,即选择空间中固定数目的具有代表性的点, 而不是用单个中心或对象来代表一个簇。该算法首先把每 个数据点看成一簇,然后再以一个特定的收缩因子向簇中 心“收缩”它们,即合并两个距离最近的代表点的簇。
同分类不同,对于一个分类器,通常需要你告诉它 “这个东西被分为某某类”这样一些例子,理想情况下, 一个 分类器会从它得到的训练集中进行“学习”,从而具 备对未知数据进行分类的能力,这种提供训练数据的过 程通常叫做监督学习。 而在聚类的时候,我们并不关心某一类是什么, 我们需要实现的目标只是把相似的东西聚到一起,一个 聚类算法通常只需要知道如何计算相似 度就可以开始工 作了,因此 ,聚类通常并不需要使用训练数据进行学习, 这在 机器学习中被称作无监督学习。
(完整word版)模式识别习题解答第三章(word文档良心出品)
题1:在一个10类的模式识别问题中,有3类单独满足多类情况1,其余的类别满足多类情况2。
问该模式识别问题所需判别函数的最少数目是多少?答:将10类问题可看作4类满足多类情况1的问题,可将3类单独满足多类情况1的类找出来,剩下的7类全部划到4类中剩下的一个子类中。
再在此子类中,运用多类情况2的判别法则进行分类,此时需要7*(7-1)/2=21个判别函数。
故共需要4+21=25个判别函数。
题2:一个三类问题,其判别函数如下:d1(x)=-x1, d2(x)=x1+x2-1, d3(x)=x1-x2-11.设这些函数是在多类情况1条件下确定的,绘出其判别界面和每一个模式类别的区域。
2.设为多类情况2,并使:d12(x)= d1(x), d13(x)= d2(x), d23(x)= d3(x)。
绘出其判别界面和多类情况2的区域。
3.设d1(x), d2(x)和d3(x)是在多类情况3的条件下确定的,绘出其判别界面和每类的区域。
答:三种情况分别如下图所示:1.2.3.题3:两类模式,每类包括5个3维不同的模式,且良好分布。
如果它们是线性可分的,问权向量至少需要几个系数分量?假如要建立二次的多项式判别函数,又至少需要几个系数分量?(设模式的良好分布不因模式变化而改变。
)答:(1)若是线性可分的,则权向量至少需要14N n =+=个系数分量; (2)若要建立二次的多项式判别函数,则至少需要5!102!3!N ==个系数分量。
题4:用感知器算法求下列模式分类的解向量w : ω1: {(0 0 0)T, (1 0 0)T, (1 0 1)T, (1 1 0)T} ω2: {(0 0 1)T, (0 1 1)T, (0 1 0)T, (1 1 1)T}解:将属于2w 的训练样本乘以(1)-,并写成增广向量的形式x1=[0 0 0 1]',x2=[1 0 0 1]',x3=[1 0 1 1]',x4=[1 1 0 1]';x5=[0 0 -1 -1]',x6=[0 -1 -1 -1]',x7=[0 -1 0 -1]',x8=[-1 -1 -1 -1]';迭代选取1C =,(1)(0,0,0,0)w '=,则迭代过程中权向量w 变化如下:(2)(0 0 0 1)w '=;(3)(0 0 -1 0)w '=;(4)(0 -1 -1 -1)w '=;(5)(0 -1 -1 0)w '=;(6)(1 -1 -1 1)w '=;(7)(1 -1 -2 0)w '=;(8)(1 -1 -2 1)w '=;(9)(2 -1 -1 2)w '=; (10)(2 -1 -2 1)w '=;(11)(2 -2 -2 0)w '=;(12)(2 -2 -2 1)w '=;收敛所以最终得到解向量(2 -2 -2 1)w '=,相应的判别函数为123()2221d x x x x =--+。
模式识别03-聚类分析
15
目录
复习 说明 模式相似性测度 类的定义、类间距离和聚类准则 聚类算法 总结和作业
2011-12-22
济南大学 模式识别与智能系统研究所(R)
16
类的定义、类间距离和聚类准则
类的定义 类间距离 聚类准则
2011-12-22
济南大学 模式识别与智能系统研究所(R)
17
描述两个矢量x和y之间的距离d(x, y)应该满足如下公理:
d(x, y) 0, d(x, y)=0 iff x = y; d(x, y) = d(y, x); d(x, y) d(x, z) + d(z, y);
需要说明,某些距离测度不满足公理3,只是在广义上称 为距离。
2011-12-22
D kq
2
2011-12-22
济南大学 模式识别与智能系统研究所(R)
26
类的定义、类间距离和聚类准则
类的定义 类间距离 聚类准则
2011-12-22
济南大学 模式识别与智能系统研究所(R)
27
类的定义、类间距离和聚类准则
聚类准则
类内距离准则
设待分类的模式集合{x1, x2, …, xN},在某种相似性测度的基 础上被划分为c类{ci(j); j=1,2,3, …, c; i=1,2, …, nj}。 显然,
ae bc
一个问题:特征空间中,两个特征矢量分别如下,计算其 间不同距离: x=(1, 1, 0, 1, 0, 0)T, y=(1, 0, 0, 1, 0, 1)T x=(180, 75, 50)T, y=(170, 70, 55)T
传统聚类算法和深度聚类算法
传统聚类算法和深度聚类算法聚类算法是一种将数据对象划分为相似组的机器学习技术。
在数据挖掘和模式识别中,聚类是一项重要任务,用于发现数据集中的隐藏结构和模式。
传统聚类算法和深度聚类算法是两种常用的聚类方法。
传统聚类算法是指使用传统的数学方法和统计学原理来划分数据对象的方法。
其中最常见的传统聚类算法包括K-means、层次聚类和DBSCAN等。
K-means算法是一种常用的基于距离度量的聚类算法。
它根据数据对象之间的相似性将数据集分为K个簇。
该算法首先随机选择K个初始中心点,然后通过迭代的方式不断优化簇的划分,直到达到最优状态。
K-means算法的优点是简单高效,但它对初始中心点的选择非常敏感,容易陷入局部最优解。
层次聚类算法是一种自底向上的聚类方法。
它通过计算数据对象之间的相似性来构建聚类树,然后根据不同的相似性度量方法将树切割为不同的簇。
层次聚类算法的优点是能够自动确定聚类的数量,但它的计算复杂度较高,不适用于处理大规模数据集。
DBSCAN算法是一种基于密度的聚类算法。
它通过定义邻域半径和邻域内最小样本数来判断数据对象的核心点、边界点和噪声点,并将核心点连接成簇。
DBSCAN算法的优点是能够处理具有任意形状的簇,并且对噪声点具有较好的鲁棒性,但它对参数的选择非常敏感。
与传统聚类算法相比,深度聚类算法在聚类任务中引入了深度学习的思想和技术。
深度聚类算法将传统聚类算法与深度神经网络相结合,通过学习数据的表示和特征提取来实现更好的聚类效果。
深度聚类算法包括自编码器聚类、变分自编码器聚类和生成对抗网络聚类等。
自编码器聚类是一种基于自编码器的无监督聚类方法,它通过学习数据的低维表示来实现聚类。
变分自编码器聚类是一种利用变分自编码器进行聚类的方法,它能够估计数据的隐变量分布并进行聚类。
生成对抗网络聚类是一种使用生成对抗网络进行聚类的方法,它通过生成器和判别器的对抗训练来实现聚类。
深度聚类算法相比于传统聚类算法具有以下优点。
机器学习中的聚类算法
机器学习中的聚类算法聚类算法是机器学习中的一种重要技术,其主要目的是将数据集划分为若干个类别或簇,同一类别内的数据具有相似的特征,而不同类别之间的数据具有明显的差异。
在现实应用中,聚类算法被广泛应用于数据挖掘、图像处理、模式识别等领域。
本文将从K-Means算法、层次聚类算法和DBSCAN算法三个方面探讨聚类算法的原理及应用。
一、K-Means算法K-Means算法是一种基于距离度量的聚类算法,其基本思想是将n个样本根据其属性的相似程度,划分为k个类别,使每个类别内部的数据点之间的距离较小,而不同类别之间的距离较大。
其运作流程如下:1、从原始数据集中随机抽取K个样本作为初始聚类中心;2、计算每个样本距离K个聚类中心的距离,并将其分配到距离最近的聚类中心对应的簇内;3、重新计算每个簇内的数据均值,将其作为新的聚类中心;4、重复第二、三步骤,直至簇内数据点不再发生变化或达到预设的聚类次数。
K-Means算法具有简单易用、计算速度快等优点,但对于聚类个数K的选择敏感,缺点在于需要预先确定聚类个数。
二、层次聚类算法与K-Means算法不同,层次聚类算法不需要预先指定聚类个数,而是将数据点逐步合并,最终形成一个数据聚类层次结构。
在层次聚类算法中,可以根据簇内样本之间的距离关系将算法分为凝聚层次聚类和分裂层次聚类。
凝聚层次聚类(AGNES):从单个样本开始,不断合并距离最近的两个簇,直至得到一个包含所有样本的簇。
在计算簇间距离时,通常采用的是单链、全链或平均链等聚类距离度量。
分裂层次聚类(DIANA):与凝聚层次聚类相反,DIANA算法从包含所有样本的整体出发,不断将簇分割为更小的簇,直至簇的个数为预设的聚类个数为止。
在计算簇内样本的距离时,通常采用加权平均距离等模式。
层次聚类算法适用于数据量小、簇的数量较少的情况。
但由于数据聚类层次结构的建立,计算复杂度较高,效率较低。
三、DBSCAN算法DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法是一种基于密度的聚类算法,其重要思想在于将高密度区域内的数据点划分为同一簇,较低密度区域的数据点则被视为噪声或异常值。
简述聚类算法的原理及应用
简述聚类算法的原理及应用1. 聚类算法的原理聚类算法是一种无监督学习方法,通过将数据对象分组成具有相似特征的集合来进行数据分析和处理。
聚类算法的原理主要包括以下几个步骤:1.1 数据预处理在进行聚类算法之前,需要对数据进行预处理,包括数据清洗、数据标准化和特征选择等。
数据预处理的目的是消除数据中的噪声和冗余信息,提高后续聚类算法的效果和准确性。
1.2 距离度量在聚类算法中,需要选择合适的距离度量方法来衡量数据对象之间的相似度或距离。
常用的距离度量方法包括欧氏距离、曼哈顿距离、余弦相似度等。
1.3 聚类算法主要有以下几种常见的聚类算法:1.3.1 K-means聚类算法K-means聚类算法是一种基于距离的聚类算法,通过将数据对象划分到k个簇中,使得簇内的样本相似度最大化,簇间的样本相似度最小化。
算法的步骤包括初始化聚类中心、计算数据对象与聚类中心的距离、更新聚类中心等。
1.3.2 层次聚类算法层次聚类算法是一种基于树形结构的聚类算法,可以自底向上或自顶向下进行聚类。
算法的步骤包括计算两个簇之间的相似度、合并相似度最高的两个簇、更新相似度矩阵等。
1.3.3 密度聚类算法密度聚类算法是一种基于样本密度的聚类算法,通过寻找样本密度较大的区域,将样本划分为不同的簇。
算法的步骤包括计算样本的密度、确定核心对象、扩展簇等。
1.4 聚类评估在完成聚类算法后,需要评估聚类结果的质量和效果。
常用的聚类评估指标包括轮廓系数、Davies-Bouldin指数、Calinski-Harabasz指数等。
2. 聚类算法的应用聚类算法在各个领域都有广泛的应用,下面列举了一些典型的应用场景:2.1 模式识别聚类算法可以用于模式识别领域,通过将数据对象进行聚类,识别出数据中存在的模式和结构。
例如,可以通过聚类算法将手写数字图像归类成不同的数字。
2.2 市场细分聚类算法可以用于市场细分,帮助企业将大量的消费者划分成几个具有相似消费行为和偏好的群体。
模式识别聚类分析
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(
( x1
x2旳值。可用下列递推
k ) xi ) /( N1(k ) 1)
x(k 1) 2
(k)
x2
(k)
(x2
xi
)
/(
N
(k 2
)
1)
x1 (k ) , x2 (k )是第k步对分时两类均值,
x1(k 1) , x2(k 1)是下一次对分时把xi从G1(k )
划到G2(k)时的两类均值
所以x1 Z1(1)
再继续进行第二,第三次迭代… 计算出 E(2) , E(3) , …
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11
G1 G2
x21 x20 x18 x14 x15 x19
x11 x13 x12 x17 x16
E值 56.6 79.16 90.90 102.61 120.11 137.15 154.10 176.15 195.26 213.07 212.01
Ni为第i类的样本数.
离差平方和增量:设样本已提成ωp,ωq两类, 若把ωp,ωq合为ωr类,则定义离差平方:
Dp2q Sr (S p Sq )
其中S p , Sq分别为 p类于q类的离差平方和, S r为 r 类的离差平方和
增量愈小,合并愈合理。
聚类准则
Jw Min
类内距离越小越好 类间距离越大越好
体积与长,宽,高有关;比重与材料,纹理,颜 色有关。这里低、中、高三层特征都有了。
措施旳有效性
特征选用不当 特征过少 特征过多 量纲问题
主要聚类分析技术
谱系法(系统聚类,层次聚类法) 基于目旳函数旳聚类法(动态聚类) 图论聚类法 模糊聚类分析法
2.2模式相同度度量
数据分析中的聚类算法与案例分析
数据分析中的聚类算法与案例分析随着互联网时代的到来,数据已经成为了我们生活中一个不可或缺的部分,数据量不断的增加,如何从这大量的数据中发现蕴含在其中的规律是数据分析中最重要的工作之一。
而聚类算法恰恰是很好的一种数据探索方法。
在这篇文章中,我们将介绍聚类算法的概念、分类、应用场景以及如何使用聚类算法进行案例分析。
一、聚类算法聚类算法是一种机器学习中非常重要的方法,它的主要作用是将相似的数据对象分配到同一个簇中。
在聚类问题中,目标是将数据分成若干个组,而每个组(称为簇)应包含类似的数据对象。
聚类算法经常用于数据挖掘与统计分析,并被广泛应用于市场分析、模式识别、图像处理和社会网络分析等领域。
二、聚类算法的分类聚类算法可以分为几种不同的方法。
根据聚类算法的输出,我们通常有两种不同类型的聚类算法:分层聚类和非分层聚类。
1. 分层聚类分层聚类通常被视为更专业的聚类方法之一,它是一种层次化的聚类方法,它基于将数据集递归地分割成更小、更小的子集。
这个过程通常被称为树形聚类或层次聚类。
我们可以从下向上或从上向下处理聚类层次。
在自底向上的聚类方式中,每一个数据点首先被视为单独的簇,然后不断地将它们相似的数据点合并,直到得到最终的多个聚类簇;而在从上向下的聚类方式中,我们首先把所有数据点视为一个整体,然后不断地将它们按照相似度分成几个小组,最终得到多个聚类簇。
分层聚类算法的主要优点是具有很强的可视化效果,可以生成树形结构来更容易地解释算法的聚类结果。
2. 非分层聚类非分层聚类算法也被称为 k-means 聚类算法,是其中最常见的一种聚类方法。
其主要思想是要将数据点分为几个簇,以使得簇内的数据点相似度尽可能高而簇间的数据点相似度尽可能低。
通俗的说,k-means 聚类算法的主要目标是将 n 个数据点分配到 k 个簇中,以使簇的数量最小化。
三、聚类算法的应用场景聚类算法应用到了许多领域,主要是因为它可以用于不同类型的数据集以及不同类型的数据挖掘任务。
机器学习中的聚类分析方法
机器学习中的聚类分析方法机器学习中的聚类分析是一种数据挖掘技术,该技术可以将大量的数据集按照特定的规则进行分类和分组。
聚类分析主要用于数据分析、分类、数据挖掘和模式识别等领域,该技术的应用范围非常广泛,包括自然语言处理、图像识别、推荐系统等领域。
在聚类分析中,数据集合被分为不同的类别,每个类别都有相似的属性、特征或属性。
聚类分析方法可以通过设置聚类算法的参数来对数据进行分组,对于同一类别的数据,聚类算法能够产生一个类别标签。
聚类分析方法的优点在于能够将大量不同的数据进行有意义的分类,从而可以实现多种应用。
聚类分析方法的类型在机器学习中,聚类分析方法主要分为以下几种类型:1. 划分式聚类:这种方法通过将数据集分成互不重叠的子集来实现聚类。
在划分式聚类中,每个数据点只属于一个簇。
这种方法适合于数据集中每个数据点都属于同一个类别的情况。
划分式聚类算法包括K-Means算法等。
2. 层次式聚类:这种方法通过渐进地将数据点分成更多的子集来实现聚类。
在层次式聚类中,每个数据点都可以被分配到多个簇中。
这种方法适合于数据集中数据点属于多个类别的情况。
层次式聚类算法包括凝聚层次聚类、分裂式层次聚类等。
3. 密度式聚类:这种方法通过密度划分数据簇来实现聚类。
密度式聚类算法包括DBSCAN、OPTICS等。
4. 模型式聚类:这种方法通过使用统计学模型来实现聚类。
模型式聚类算法包括高斯混合模型等。
其中,划分式聚类和层次式聚类是常用的聚类分析方法。
K-Means聚类算法K-Means算法是目前应用最多的划分式聚类算法之一,其主要思想是将输入数据分成K个簇,每个簇有一个中心点,根据输入数据与各个簇的中心距离进行分类。
K-Means算法通过多次更新簇中心点和分类,来达到最终的聚类结果。
K-Means算法的优点在于其算法简单、时间复杂度较低,同时也适合于大规模数据和高维数据的处理。
但是,K-Means算法也存在着一些问题。
首先,初始点的随机性可能会对聚类结果产生较大的影响。
模式识别技术的基础与应用
模式识别技术的基础与应用模式识别技术是一种基于给定数据的特征,将其与已知模式进行比对,从而进行数据分类、识别和预测的技术。
目前,这种技术在各个领域都有广泛的应用,比如图像识别、语音识别、生物信息学等领域。
本文将讨论模式识别技术的基础和应用,同时介绍一些典型的模式识别算法。
一、模式识别技术的基础1. 特征提取在模式识别中,我们需要首先确定数据的关键特征。
这些特征可以包括图像的颜色、纹理、形状、大小等,或者是声音的频率、音调、语速等。
特征提取的目的是将这些复杂的数据转化成可用的、数值化的特征向量。
这些特征向量可以作为模式识别算法的输入。
2. 分类器训练分类器是一种用于对输入数据进行分类的模型。
训练分类器需要用到已知正确标签的数据集。
算法会根据这个数据集进行学习,从而在未知数据上进行准确的分类。
常用的分类器包括朴素贝叶斯、支持向量机、决策树等。
3. 模型评估模型评估是指在已知标签数据集上,对分类器的准确度、精确率、召回率等指标进行评估。
这些评估指标可以告诉我们分类器的表现如何,并且可以用来优化分类器的参数。
二、模式识别技术的应用1. 图像识别图像识别可以应用于人脸识别、车辆识别、物体识别等方面。
在此应用中,需要对图像进行特征提取,进而训练分类器,从而在未知数据上进行准确的分类和识别。
2. 语音识别语音识别可以应用于自然语言处理、声纹识别等方面。
其中,语音信号可以转化成时域和频域等多种形式的数据,从而进行特征提取和分类。
3. 生物信息学生物信息学中的模式识别技术可以用于基因序列分析、蛋白质结构预测、药物分子设计等方面。
通过对基因序列、蛋白质序列和分子结构等进行分析和分类,可以揭示其中的特征和规律,从而帮助更好地理解生物学现象。
三、经典的模式识别算法1. K-means聚类算法K-means聚类算法是一种常见的无监督学习算法。
它会将数据集中的样本分成K个簇,使得簇内数据的相似度尽可能大,簇间的相似度尽可能小。
聚类算法_实验报告
一、实验背景随着大数据时代的到来,数据量呈爆炸式增长,如何有效地对海量数据进行处理和分析成为了一个重要课题。
聚类算法作为一种无监督学习方法,在数据挖掘、模式识别等领域有着广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作,了解聚类算法的基本原理、实现方法及其在实际问题中的应用。
二、实验目的1. 理解聚类算法的基本原理和流程;2. 掌握K-means、层次聚类、DBSCAN等常用聚类算法;3. 分析不同聚类算法在处理不同类型数据时的优缺点;4. 学会使用聚类算法解决实际问题。
三、实验环境1. 操作系统:Windows 102. 编程语言:Python3. 数据库:Pandas4. 机器学习库:Scikit-learn四、实验内容1. K-means聚类算法(1)数据准备本实验使用的数据集为Iris数据集,包含150个样本,每个样本有4个特征。
(2)算法实现使用Scikit-learn库中的KMeans类实现K-means聚类算法。
(3)结果分析通过绘制样本分布图,观察聚类效果。
根据聚类结果,将样本分为3类,与Iris数据集的类别标签进行对比。
2. 层次聚类算法(1)数据准备本实验使用的数据集为鸢尾花数据集,包含150个样本,每个样本有4个特征。
(2)算法实现使用Scikit-learn库中的AgglomerativeClustering类实现层次聚类算法。
(3)结果分析通过绘制树状图,观察聚类过程。
根据聚类结果,将样本分为3类,与鸢尾花数据集的类别标签进行对比。
3. DBSCAN聚类算法(1)数据准备本实验使用的数据集为Iris数据集。
(2)算法实现使用Scikit-learn库中的DBSCAN类实现DBSCAN聚类算法。
(3)结果分析通过绘制样本分布图,观察聚类效果。
根据聚类结果,将样本分为3类,与Iris 数据集的类别标签进行对比。
五、实验结果与分析1. K-means聚类算法K-means聚类算法在Iris数据集上取得了较好的聚类效果,将样本分为3类,与真实标签一致。
聚类算法研究
聚类算法研究聚类算法是一种无监督学习方法,用于将大量数据集划分为不同的组,每个组中的样本具有相似的特征或属性。
聚类算法在数据挖掘、模式识别、图像分析等领域有着广泛的应用。
K-means算法是最常用的聚类算法之一。
该算法将数据集划分为K个簇,其中每个簇通过计算簇内样本的均值来表示。
算法的步骤如下:1. 随机选择K个样本作为初始簇的中心点。
2. 对于每个样本,计算其到每个簇中心点的距离,并将其归类到距离最近的簇。
3. 更新簇的中心点,计算每个簇中样本的均值作为新的中心点。
4. 重复步骤2和步骤3,直到簇的中心点不再改变或者达到预定的迭代次数。
K-means算法简单易实现,但对初始簇中心点的选择较为敏感,也有可能陷入局部最优解。
此外,K-means算法假设每个样本点都属于某个簇,因此对于异常值或者噪声点的处理较为困难。
另一个常用的聚类算法是层次聚类算法。
该算法基于样本间的相似性或者距离,将样本逐步地合并为不同层次的簇。
层次聚类分为凝聚型和分裂型两种方法。
凝聚型层次聚类从每个样本作为一个初始簇开始,然后根据样本间的相似性逐步合并簇,直到达到预定的簇数或者合并停止的条件。
这种方法可以得到树状的簇结构,以便于进一步的数据分析和可视化。
分裂型层次聚类从将所有样本作为一个初始簇开始,然后根据样本间的相似性逐步分裂成多个簇,直到达到预定的簇数或者分裂停止的条件。
这种方法可以自底向上地构建簇结构,以便于区分不同层次的簇。
聚类算法在数据挖掘中有着广泛的应用,可以用于分析市场细分、用户行为、图像分析、语音识别等领域。
聚类算法可以帮助发现数据中的隐藏规律和模式,为决策和预测提供基础。
但同时也需要注意聚类结果的解释和评估,避免过于主观或者不准确的结果。
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ห้องสมุดไป่ตู้
Agglomerative algorithms are divided into:
Algorithms based on matrix theory. Algorithms based on graph theory. In the sequel we focus only on dissimilarity measures. Algorithms based on matrix theory. • They take as input the NxN dissimilarity matrix P0=P(X). • At each level t where two clusters Ci and Cj are merged to Cq, the dissimilarity matrix Pt is extracted from Pt-1 by: Deleting the two rows and columns of Pt that correspond to Ci and Cj. Adding a new row and a new column that contain the distances of newly formed Cq=CiCj from the remaining clusters Cs, via a relation of the form d(Cq,Cs)=f(d(Ci,Cs),d(Cj,Cs),d(Ci,Cj))
10
• A number of distance functions comply with the following update equation d(Cq,Cs)=aid(Ci,Cs)+aj(d(Cj,Cs)+bd(Ci,Cj)+c|d(Ci,Cs)-d(Cj,Cs)| Algorithms that follow the above equation are: Single link (SL) algorithm (ai=1/2, aj=1/2, b=0, c=-1/2). In this case d(Cq,Cs)=min{d(Ci,Cs), d(Cj,Cs)} Complete link (CL) algorithm (ai=1/2, aj=1/2, b=0, c=1/2). In this case d(Cq,Cs)=max{d(Ci,Cs), d(Cj,Cs)}
8
Proximity (dissimilarity or dissimilarity) dendrogram: A dendrogram that takes into account the level of proximity (dissimilarity or similarity) where two clusters are merged for the first time. Example 2: In terms of the previous example, the proximity dendrograms that correspond to P΄(X) and P(X) are
•
• •
Ci , i 1,2,...,m
U Ci X
i 1 m
Ci C , i j, i, j 1 2,...,m ,
By the definition: ={Cj, j=1,…m}
Definition: A clustering 1 containing k clusters is said to be nested in the clustering 2 containing r (<k) clusters, if each cluster in 1 is a subset of a cluster in 2. We write 1 2
3
Example: Let 1={{x1,x3},{x4},{x2,x5}}, 2={{x1,x3,x4},{x2,x5}},
3={{x1,x4},{x3},{x2,x5}}, 4={{x1,x2,x4},{x3,x5}}.
It is 1 2, but not 1 3, 1 4, 1 1.
模式识别 Pattern Recognition
Chapter 10(III)
HIERARCHICAL CLUSTERING ALGORITHMS
2013年8月4日星期日 1
HIERARCHICAL CLUSTERING ALGORITHMS
They produce a hierarchy of (hard) clusterings instead of a single clustering. Applications in:
Remarks: • Hierarchical clustering algorithms produce a hierarchy of nested clusterings.
• They involve N steps at the most. • At each step t, the clustering t is produced by t-1. Main categories: • Agglomerative clustering algorithms: Here 0={{x1},…,{xN}}, N-1 ={{x1,…,xN}} and 0 … N-1. • Divisive clustering algorithms: Here 0={{x1,…,xN}}, N-1= {{x1},…,{xN}} and N-1 … 0.
6
Definitions of some useful quantities: Let X={x1,x2,…,xN}, with xi=[xi1,xi2,…,xil]T.
Pattern matrix (D(X)): An Nxl matrix whose i-th row is xi (transposed). Proximity (similarity or dissimilarity) matrix (P(X)): An NxN matrix whose (i,j) element equals the proximity (xi,xj) (similarity s(xi,xj), dissimilarity d(xi,xj)). Example 1: Let X={x1, x2, x3, x4, x5}, with x1=[1, 1]T, x2=[2, 1]T, x3=[5, 4]T, x4=[6, 5]T, x5=[6.5, 6]T. Euclidean distance Tanimoto distance
x1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 (a) x2 x3 x4 x5 0 1 2 x1 x2 x3 x4 x5
Dissimilarity scale
Similarity scale
3 4 5 6 7 8 9 10 (b)
Remark: One can readily observe the level in which a cluster is formed and the level in which it is absorbed in a larger cluster (indication of the natural clustering).
Social sciences Biological taxonomy Modern biology Medicine Archaeology Computer science and engineering
2
Let X={x1,…,xN}, xi=[xi1,…,xil]T. Recall that:
ss In the previous example, if dmin (Ci , C j ) is employed as the distance measure between two sets and the Euclidean one as the distance measure between two vectors, the following series of clusterings are produced:
5
Remarks: • If two vectors come together into a single cluster at level t of the hierarchy, they will remain in the same cluster for all subsequent clusterings. As a consequence, there is no way to recover a “poor” clustering that may have occurred in an earlier level of hierarchy. • Number of operations: O(N3)
4
AGGLOMERATIVE ALGORITHMS
Let g(Ci,Cj) a proximity function between two clusters of X.
Generalized Agglomerative Scheme (GAS)
Initialization • Choose 0={{x1},…,{xN}} • t=0 Repeat • t=t+1 • Choose (Ci,Cj) in t-1 such that
1 2 D( X ) 5 6 6 .5 1 1 4 5 6
1 5 0 1 0 4 .2 P ( X ) 5 4 .2 0 6 .4 5 .7 1 .4 7 .4 6 .7 2 . 5