Bagging for Path-Based Clustering Bernd Fischer, Student Member, IEEE, and
dbscan算法原理
dbscan算法原理DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一种基于密度的空间聚类算法,它能够发现任意形状的聚类,并能够有效地处理噪声数据。
本文将介绍DBSCAN算法的原理及其在数据挖掘领域的应用。
我们来了解一下DBSCAN算法的原理。
DBSCAN算法基于密度的定义来划分数据点的聚类。
它将数据点分为三类:核心点、边界点和噪声点。
核心点是在半径为ε内至少有MinPts个数据点的点,边界点是指在半径为ε内包含核心点的领域内,但是不满足核心点的条件,噪声点是既不是核心点也不是边界点的点。
DBSCAN算法的具体步骤如下:1. 随机选择一个未被访问的数据点P。
2. 如果P是核心点,则以P为种子点进行扩展,找到所有密度可达的点,并将它们加入到当前的聚类中。
3. 扩展当前的聚类,直到不再有新的点可以添加进来。
4. 如果P是边界点,则不会被扩展,但它可能会成为其他核心点的边界点。
5. 重复以上步骤,直到所有的数据点都被访问过为止。
DBSCAN算法的核心思想是通过密度可达的性质来划分聚类。
在算法的执行过程中,通过计算半径为ε内的数据点数量来确定核心点,并通过密度可达的性质将核心点连接起来形成聚类。
而边界点则通过与核心点的连接来判断是否属于某个聚类。
噪声点则是那些既不是核心点也不是边界点的点,它们通常是由于数据的不完整或异常造成的。
DBSCAN算法的优点在于它能够发现任意形状的聚类,并且对噪声点具有鲁棒性。
相比于传统的聚类算法,如K-means算法,DBSCAN不需要预先指定聚类的数量,而是根据数据的分布自动确定。
此外,DBSCAN还能够处理具有不同密度和分布的数据集,对参数的选择相对较少,算法的鲁棒性较强。
DBSCAN算法在数据挖掘领域有着广泛的应用。
它可以用于图像分割、异常检测、数据压缩等领域。
在图像分割中,DBSCAN可以根据像素点之间的相似性来将图像分为不同的区域,从而实现图像的分割。
基于自适应反向学习的多目标分布估计算法
2021⁃01⁃10计算机应用,Journal of Computer Applications 2021,41(1):15-21ISSN 1001⁃9081CODEN JYIIDU http ://基于自适应反向学习的多目标分布估计算法李二超*,杨蓉蓉(兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050)(∗通信作者电子邮箱lecstarr @ )摘要:针对基于规则模型的多目标分布估计算法全局收敛性较弱的缺陷,提出了一种基于自适应反向学习(OBL )的多目标分布估计算法。
该算法根据函数变化率的大小来决定是否进行OBL :当函数变化率较小时,算法可能陷入局部最优,所以进行OBL 以提高当前种群中个体的多样性;当函数变化率较大时,运行基于规则模型的多目标分布估计算法。
所提算法通过适时地引入OBL 策略,减小了种群多样性及个体的分布情况对优化算法整体收敛质量以及收敛速度的影响。
为了验证改进算法的性能,选取基于规则模型的多目标分布估计算法(RM -MEDA )、摸石头过河算法与分布估计混合算法(HWSA -EDA )以及基于逆建模的多目标进化算法(IM -MOEA )作为对比算法与所提算法分别在ZDT 和DTLZ 测试函数上进行测试。
测试结果表明,除了在DTLZ2函数上以外,所提算法不仅有良好的全局收敛性,而且解的分布性和均匀性都有所提高。
关键词:多目标优化问题;局部最优;反向学习;种群多样性;收敛性中图分类号:TP18文献标志码:AMulti -objective estimation of distribution algorithm withadaptive opposition -based learningLI Erchao *,YANG Rongrong(College of Electrical Engineering and Information Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou Gansu 730050,China )Abstract:Aiming at the defect of poor global convergence of the regularity model -based multi -objective estimation ofdistribution algorithm ,a multi -objective estimation of distribution algorithm based on adaptive Opposition -Based Learning (OBL )was proposed.In the algorithm ,whether to carry out OBL was judged according to the change rate of the function.When the change rate of the function was small ,the algorithm was easily to fall into the local optimum ,so that OBL was performed to increase the diversity of individuals in current population.When the change rate of the function was large ,the regularity model -based multi -objective estimation of distribution algorithm was run.In the proposed algorithm ,with the timely introduction of OBL strategy ,the influences of population diversity and individual distribution on the overall convergence quality and speed of optimization algorithm were reduced.In order to verify the performance of the improved algorithm ,Regularity Model -based Multi -objective Estimation of Distribution Algorithm (RM -MEDA ),Hybrid Wading across Stream Algorithm -Estimation Distribution Algorithm (HWSA -EDA )and Inverse Modeling based multiObjective Evolutionary Algorithm (IM -MOEA )were selected as comparison algorithms to carry out the test with the proposed algorithm on ZDT and DTLZ test functions respectively.The test results show that the proposed algorithm not only has good globalconvergence ,but also improves the distribution and uniformity of solutions except on DTLZ2function.Key words:Multi -objective Optimization Problem (MOP);local optimum;Opposition -Based Learning (OBL);population diversity;convergence引言多目标优化问题(Multi -objective Optimization Problem ,MOP )通常是指同时对多个相互作用又相互冲突的优化目标进行求解,因此该类问题在尽量满足决策者需求的情况下,只能求得多个折中解,即满意解。
集成学习算法在回归问题中的应用研究
集成学习算法在回归问题中的应用研究近年来,数据挖掘与机器学习技术的快速发展使得更多的人开始意识到其在解决实际问题方面的重要性。
而在机器学习算法中,集成学习算法可谓是一种备受关注的算法,其在回归算法中的应用也格外值得探讨。
所谓集成学习算法,指的是将多个基学习器进行组合,从而得到一个具有更好泛化能力的强学习器的过程。
而回归问题则是指寻找输入与输出变量之间的关系,从而预测出未知的输出变量。
下面,我们将从两个角度来探讨集成学习算法在回归问题中的应用。
一、基于Bagging的集成学习算法Bagging算法,即自助采样法,是一种比较简单的集成学习算法。
其主要思路是,通过对原始训练集进行有放回的随机采样,得到多个新的训练集,并利用这些新的训练集来训练不同的基学习器。
其可以有效地减少过拟合现象,提高模型的泛化能力。
在回归问题中,Bagging算法的应用也比较简单。
我们可以通过取各个基学习器的平均值来得到最后的预测结果。
具体来说,对于每个基学习器,我们可以用有放回的方式从训练集中抽取n个样本建立子训练集,并利用这个子训练集来训练基学习器。
当训练完成后,我们可以利用测试样本得到每个基学习器的预测结果。
最后,我们将各个基学习器的预测结果进行平均得到最后的预测值。
二、基于Boosting的集成学习算法上述Bagging算法虽然简单易懂,但其并不能很好的处理噪声数据。
而Boosting算法则可以通过增强易学习样本在最终分类决策中的权重来提高其分类准确率,同时也能够抑制噪声数据的影响,从而达到更好的总体分类效果。
Boosting算法最常用的一种形式是Adaboost算法。
在Adaboost算法中,我们会给错误分类样本增加权重,以便在下一轮迭代中能够更好地识别它们。
同时,对于正确分类样本,我们会减少其权重,以便鼓励算法关注更加困难的样本。
最后,将多个基学习器的输出加权求和,得到最终的预测结果。
总结以上我们介绍了两种常见的集成学习算法在回归问题中的应用。
集成学习中的Bagging算法概述
集成学习中的Bagging算法概述Bagging算法是集成学习中一种常用的方法,旨在通过集合多个基础分类器的预测结果来提高整体的分类准确性。
本文将对Bagging算法进行概述,介绍其原理、优点和应用领域。
Bagging(Bootstrap aggregating)算法的核心思想是通过自助采样(bootstrap sampling)和多个基学习器的集成来减小模型的方差,提高模型的鲁棒性。
具体步骤如下:1. 数据集采样:从原始训练集中使用有放回的随机采样(bootstrap sampling)方法生成多个采样集合。
每个采样集合的大小与原始训练集一样,但样本中可能有重复。
2. 基学习器训练:对于每个采样集合,使用基础学习算法(如决策树、SVM 等)来训练一个基学习器。
由于采样集合中可能出现冗余和噪声,每个基学习器可能会学到略微不同的知识。
3. 集成预测:对于新的未知样本,通过将所有基学习器的预测结果进行投票或取平均,来进行最终的集成预测。
这样可以抵消单个基学习器的错误,提高整体的分类准确度。
Bagging算法的优点在于能有效降低过拟合风险,并提高模型的鲁棒性和稳定性。
具体而言,有以下几个方面:1. 方差减小:通过集成多个基学习器的预测结果,Bagging算法能够减小模型的方差,降低模型对训练数据的过拟合程度。
2. 鲁棒性提升:多个基学习器的集成可以减小训练数据中的随机噪声和异常样本对模型的影响,提高模型的鲁棒性。
3. 算法简单:Bagging算法本身的实现相对简单,只需要采样数据集和训练多个基学习器,不需要大量的调参和优化。
Bagging算法在实践中被广泛应用于各种机器学习任务中,特别是在分类和回归问题上。
以下是一些典型的应用领域:1. 基于决策树的Bagging算法(Random Forest)在图像识别、物体检测和推荐系统等领域取得了很好的效果。
由于决策树具有良好的可解释性和抗噪能力,与Bagging算法结合能够更进一步提高模型的分类准确性和鲁棒性。
Boosting算法
Boosting算法Boosting算法也是一种基于数据集重抽样的算法,与Bagging 算法主要区别在于,需要动态调整训练样本中各数据权重,每一次迭代增加不能被正确学习的样本权重,相对地降低了能被正确学习的样本权重,从而提升在整个训练样本数据集上的学习正确率。
一、Boosting算法流程与Bagging算法不同,Boosting算法第一次构建基学习器时给每一个训练数据样本赋予动态权重,增加分类错误样本权重。
在下一次,基学习器采用新的样本权重进行随机抽样构建新的基学习器并以此类推构建多个基学习器,直到递进生成的基学习器精度不再明显提升或满足精度需求,最后这多个基学习器形成一个精度较高的强学习器。
为了控制集成学习模型复杂度,通过动态权重降低了高精度分类样本的权重,有效控制了最终学习器的样本数量,从而控制了集成学习模型复杂度。
为了提升集成模型的差异化,Boosting算法是一种逐步递进的方法,每一个学习器都是前一个学习器通过调整样本权重的改进模型,不存在两个相同的基学习器。
Boosting算法问题在于,更多关注不能正确分类样本数据,对于边界样本会导致权重失衡,产生“退化问题”。
Boosting算法的原理示意图如图7-5所示。
图7-5 Boosting算法的原理示意图Boosting算法最典型的是Adaptive Boosting算法,简称AdaBoost算法,其基本流程描述如下。
从“偏差-方差分解”的角度看,Boosting算法主要提升基学习器的准确率,降低偏差,因此,Boosting算法能基于泛化性能相当弱的学习器构建出很强的集成。
二、Boosting系列算法Boosting算法包括以梯度提升为核心方法的系列算法,主要包括前面介绍的调整错分样本权重的AdaBoost算法、以决策树为基函数的Boosting Tree算法、利用损失函数的负梯度在当前模型的值作为回归问题提升树算法中残差的近似值的GBDT算法、大规模并行Boosting Tree的XGBoost算法。
贝叶斯节点使用说明
贝叶斯节点使用说明作者:张青松目录1. 贝叶斯节点 (2)1.1. 朴素贝叶斯分类基本原理 (2)1.2. 贝叶斯节点 (2)2. 贝叶斯设置 (3)2.1. 建立贝叶斯节点的工作流 (3)2.1.1. 设置 (3)3. 贝叶斯分类结果 (4)1.贝叶斯节点贝叶斯节点使用了经典的朴实贝叶斯(NaiveBayes)算法对数据进行分类,其核心思想是贝叶斯公式:对于给出的待分类项,求解在此项出现的条件下各类别出现的概率,取概率最大的类别作为对该项的分类结果。
1.1.朴素贝叶斯分类基本原理朴素贝叶斯正式定义如下:1.设x={a1,a2,…,a m}为一个待分类项,而每个a为x的一个特征属性.2.有类别集合C={y1,y2,…y n,}。
3.计算P(y1|x),P(y2|x),…,P(y n|x)。
4.如果P(y k|x)=max{P(y1|x),P(y2|x),…,P(y n|x)},则x∈y k。
针对训练数据中,某个类别下的某个特征划分没有出现时,会令分类器的质量大大降低。
为了解决这个问题,引入了Laplace校准。
其思想就是对每类别下所有划分的计数加1,或者概率加上一个很小的值,这样如果训练样本集数据充分大时,并不会对结果产生影响,并且解决了概率为0的尴尬局面。
1.2.贝叶斯节点在DataStudio中,通过设置面板在输入的训练数据表中,选择某个标称量字段作为分类目标字段以及另一部分列作为参与分类的特征属性,训练朴素贝叶斯模型,然后使用该模型对位置的数据进行分类。
2.贝叶斯设置2.1.建立贝叶斯节点的工作流图1 贝叶斯节点工作流首先为贝叶斯节点连接输入数据。
输入数据中必须包含类型为标称量的字段。
以数据集为例。
2.1.1.设置图2 贝叶斯节点数据选择设置选择数据集中的标称量字段作为分类的目标列,并且在下方表格中选中要作为特征属性参与分类的列。
切换到模型页签,如图。
图3 贝叶斯算法参数设置注意:模型页签中的默认概率表示上文中提到的Laplace校准参数,最大分类个数不能小于分类目标列标称量的个数。
bagging步骤与原理
bagging步骤与原理
Bagging(Bootstrap Aggregating)是一种集成学习方法,通过对训练数据集进行有放回的随机抽样(bootstrap),然后基于每个抽样集合训练出一个基学习器,最终通过投票或取平均的方式组合这些基学习器的预测结果来进行分类或回归。
下面我将从步骤和原理两个方面来详细解释Bagging的相关内容。
首先是Bagging的步骤:
1. 随机抽样,从原始训练集中使用有放回抽样的方式,抽取出若干个与原始训练集大小相同的子集。
2. 基学习器训练,对每个子集进行训练,得到若干个基学习器模型,可以使用不同的学习算法或者同一算法的不同参数设置。
3. 集成预测,对于分类问题,采用投票的方式,对每个基学习器的预测结果进行统计,得到最终的分类结果;对于回归问题,采用平均值的方式,将每个基学习器的预测结果取平均得到最终的预测值。
接下来是Bagging的原理:
Bagging的核心原理在于通过对训练集的随机抽样,能够使得每个基学习器都能够看到略有不同的数据分布,从而增加模型的多样性,减小模型的方差。
通过对多个基学习器的集成,可以有效降低模型的方差,提高整体模型的泛化能力。
另外,Bagging还能够有效减小模型的过拟合程度,尤其是在训练集数据较小或者噪声较大的情况下,通过对训练数据的随机抽样,可以减小模型对训练集的过度拟合,提高模型的鲁棒性。
总结来说,Bagging通过对训练集进行有放回的随机抽样,然后基于每个抽样集合训练出一个基学习器,并最终通过投票或取平均的方式组合这些基学习器的预测结果,从而达到降低方差、减小过拟合的效果。
这就是Bagging方法的步骤和原理。
dbscan算法的基本概念
dbscan算法的基本概念DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一种常用的密度聚类算法,用于对数据集进行聚类分析。
它将数据根据样本之间的密度关系划分为不同的簇,并且可以有效地识别出噪声点。
本文将逐步回答DBSCAN算法的基本概念,以便更好地理解其原理和应用。
1. 什么是密度聚类?密度聚类是一种基于样本之间密度关系的聚类方法,与传统的基于距离的聚类方法不同。
它认为,在聚类中,样本点在高密度区域周围相对较近,而在低密度区域之间相对较远。
密度聚类算法通过评估样本点周围的邻域密度来确定样本点的聚类情况。
2. DBSCAN算法的基本原理是什么?DBSCAN算法基于以下两个基本概念:核心点(Core Point)和密度直达(Density-Reachability)。
核心点是指在给定的半径ε内至少包含最小样本数MinPts的样本点。
密度直达是指如果点A在核心点B的ε邻域内,并且B是核心点,则A可以从B密度直达,即可以通过一系列核心点的连接到达该点。
DBSCAN算法的基本思想是从任意一个未被访问的点开始,找出它的密度可达点,并将这些点加入同一个簇中。
然后,对这些点进行进一步的拓展,找出其密度可达点,并继续加入簇中,直到没有更多的点可以加入。
这样,一个簇就被发现了。
然后,寻找下一个未被访问的点,并重复以上过程,直到所有点都被访问。
3. DBSCAN算法的基本步骤是什么?DBSCAN算法的基本步骤包括以下几个步骤:步骤1:选择一个未被访问的点P。
步骤2:计算点P的ε邻域内的所有点个数。
步骤3:如果点P的ε邻域内的点个数大于等于MinPts,则将点P标记为核心点,并为其创建一个新的簇。
步骤4:找出点P的ε邻域内的所有点,并判断是否为核心点,如果是,则将其加入到簇中。
步骤5:重复步骤4,直到无法再加入更多的点。
步骤6:重复步骤1-5,直到所有点都被访问。
机器学习中的集成学习算法
机器学习中的集成学习算法机器学习是目前非常热门的研究领域。
在机器学习中,集成学习算法尤为重要。
集成学习算法是指通过将多个不同的学习算法结合起来,来提高模型的性能和泛化能力。
本文将会介绍集成学习算法的概念、分类以及具体应用等内容。
一、集成学习算法的概念集成学习算法是一种将多个分类器组合起来,以提高学习算法的性能和泛化能力的方法。
其根据不同的机器学习算法,通过实现不同的策略来改进分类器的准确性。
这些算法的主要目的是减少过拟合和提高鲁棒性,它们通过整合来自不同算法的信息,从而提高整体性能。
二、集成学习的分类根据集成学习算法的实现原理,可以将其划分为三类:bagging(套袋法)、boosting(提升法)和stacking(堆叠法)。
1. BaggingBagging是一种并行的集成学习方法。
它的原理是基于不同的训练集对分类器进行训练,并对结果进行平均(以分类问题为例),以提高分类器的准确性。
Bagging依赖于构造大量的分类器并将它们的结果合并,从而使得模型更具鲁棒性和泛化能力。
2. BoostingBoosting是目前应用最广泛的集成学习方法之一。
Boosting的工作原理是一种按序列引入数据的方法。
它的实现方法是生成一系列的基分类器,并将它们按照一定的权重组合来提高模型的准确性。
Boosting技术就是不断得学习如何在错误中提高模型的准确性的过程。
缺点是Boosting几乎总是会导致过度拟合问题,而且对训练数据过于敏感。
3. StackingStacking是一种堆叠的学习方法,它通过堆叠不同分类器的输出来构建一个新的分类器。
Stacking的实现方法是基于不同的学习算法来生成若干个分类器。
这些分类器由不同的特征子集和训练数据子集构成。
最终,在训练数据上生成的分类器组成一个新的分类器来提高分类的准确性。
三、集成学习算法的具体应用集成学习算法可以应用于各种机器学习问题,包括分类和回归。
以下是一些常见的应用:1. 图像识别图像识别是一个受欢迎的研究领域。
介绍Bagging的思想【面试经验】
介绍Bagging的思想,它是降低偏差还是方差,为什么?【面试经验】Bagging的思想是通过Bootstrap采样技术来生成多个不同的训练数据集,并在这些数据集上分别训练多个模型,最后将各个模型的预测结果进行组合。
其主要目标是提高模型的稳定性和泛化能力,即减小模型的方差,而不是偏差。
具体来说,Bagging的过程可以分为以下几个步骤:1.采样:对于给定的原始数据集,使用Bootstrap采样方法,进行有放回的随机采样,生成T个不同的训练数据集。
每个训练数据集的大小与原始数据集相同,但由于是有放回的采样,因此每个数据集中都可能包含重复的数据,也可能有原始数据集中未出现的数据。
2.训练:对于每个采样得到的数据集,使用相同的学习算法(通常是决策树)进行训练,得到T个不同的模型。
由于每个模型都是在不同的训练数据集上训练的,因此它们之间会有一些差异。
3.组合:将T个模型的预测结果进行组合,得到最终的预测结果。
对于回归问题,通常采用简单的平均方法;对于分类问题,则采用投票法,即每个模型投一票,最终预测结果由获得最多投票的类别确定。
为什么Bagging能够减小方差呢?这主要是因为Bagging中的每个模型都是在略有不同的训练数据子集上训练完成的,这使得每个模型都拥有略微不同的训练能力,从而产生了不同的预测结果。
当这些模型的预测结果进行组合时,由于它们之间的差异,一些模型的预测误差可能会被其他模型的预测结果所抵消,从而减小了整体的预测误差。
因此,Bagging通过集成多个模型的预测结果,可以在一定程度上减小模型的方差,提高模型的稳定性和泛化能力。
需要注意的是,Bagging中的基模型一定要为强模型,即每个模型在训练集上的准确度都比较高。
这是因为如果基模型的准确度很低(即偏差很大),那么即使通过集成多个这样的模型,也很难提高整体的预测准确度。
因此,在使用Bagging算法时,需要选择适合的学习算法和参数设置,以确保每个基模型都具有一定的准确度。
集成学习的不二法门bagging、boosting和三大法宝结合策略平均法,投票法和学习法。。。
集成学习的不⼆法门bagging、boosting和三⼤法宝结合策略平均法,投票法和学习法。
单个学习器要么容易⽋拟合要么容易过拟合,为了获得泛化性能优良的学习器,可以训练多个个体学习器,通过⼀定的结合策略,最终形成⼀个强学习器。
这种集成多个个体学习器的⽅法称为集成学习(ensemble learning)。
集成学习通过组合多种模型来改善机器学习的结果,与单⼀的模型相⽐,这种⽅法允许产⽣更好的预测性能。
集成学习属于元算法,即结合数个“好⽽不同”的机器学习技术,形成⼀个预测模型,以此来降⽅差(bagging),减偏差(boosting),提升预测准确性(stacking)。
1. 集成学习之个体学习器个体学习器(⼜称为“基学习器”)的选择有两种⽅式:集成中只包含同种类型的个体学习器,称为同质集成。
集成中包含不同类型的个体学习器,为异质集成。
⽬前同质集成的应⽤最⼴泛,⽽基学习器使⽤最多的模型是CART决策树和神经⽹络。
按照个体学习器之间是否存在依赖关系可以分为两类:个体学习器之间存在强依赖关系,⼀系列个体学习器基本必须串⾏⽣成,代表是boosting系列算法。
个体学习器之间不存在强依赖关系,⼀系列个体学习器可以并⾏⽣成,代表是bagging系列算法。
1.1 boosting算法原理boosting的算法原理如下所⽰:Boosting算法的⼯作机制是:(1)先从初始训练集训练出⼀个基学习器;(2)再根据基学习器的表现对样本权重进⾏调整,增加基学习器误分类样本的权重(⼜称重采样);(3)基于调整后的样本分布来训练下⼀个基学习器;(4)如此重复进⾏,直⾄基学习器数⽬达到事先指定的个数,将这个基学习器通过集合策略进⾏整合,得到最终的强学习器。
Boosting系列算法⾥最著名算法主要有AdaBoost算法和提升树(boosting tree)系列算法。
提升树系列算法⾥⾯应⽤最⼴泛的是梯度提升树(Gradient Boosting Tree)<GDBT>。
机器学习技术中的迁移学习算法
机器学习技术中的迁移学习算法迁移学习算法是机器学习领域中的重要技术之一。
它旨在通过将一个任务中学习到的知识应用到另一个相关任务上,来提高模型的性能和泛化能力。
在实际应用中,迁移学习算法可以帮助解决数据不足、领域差异大和时间成本高等问题,同时还能加速模型的训练和优化过程。
本文将详细介绍几种常见的迁移学习算法。
一、领域自适应(Domain Adaptation)领域自适应是迁移学习中常用的算法之一,其目的是将源领域的知识迁移到目标领域上。
在领域自适应中,我们假设源领域和目标领域具有一定的关联性,但存在一定的差异。
该算法通过对源领域数据进行特征选择、特征映射或数据重标定等方式,使得源领域的知识在目标领域中仍然有效。
领域自适应算法可以通过最大化源领域和目标领域之间的相似性,进一步优化模型的泛化能力。
二、迁移聚类(Transfer Clustering)迁移聚类是迁移学习中的一个重要分支领域,其目的是通过迁移学习算法将源领域中学习到的聚类信息应用到目标领域中。
在迁移聚类中,我们利用源领域数据的聚类结果来辅助目标领域的聚类任务,并通过相似性匹配来找到对应的类别。
迁移聚类算法可以有效地减少目标领域样本的标注成本,提高聚类效果和效率。
三、迁移深度学习(Transfer Learning with Deep Learning)迁移深度学习是近年来兴起的一种迁移学习算法,其基于深度学习网络模型,并结合领域自适应和迁移学习的思想,进一步提高模型的性能。
迁移深度学习算法主要利用预训练的深度神经网络模型,在源领域上进行训练,然后将该模型应用到目标领域上重新调优和微调。
通过这种方式,可以利用源领域的大规模标注数据来提取通用的特征表示,从而加速目标领域模型的训练和迭代过程。
四、迁移度量学习(Transfer Metric Learning)迁移度量学习是一种通过建立距离度量或相似度度量来实现迁移学习的算法。
在迁移度量学习中,我们迁移源领域的度量矩阵到目标领域,从而通过学习目标领域的度量矩阵,来优化模型的分类效果。
机器学习中的集成学习方法
机器学习中的集成学习方法机器学习是一门关于让计算机通过数据学习和优化算法的领域。
在机器学习的过程中,集成学习方法被广泛应用于提升模型性能和泛化能力。
本文将介绍机器学习中的集成学习方法,并探讨其在不同领域的应用。
一、集成学习方法概述集成学习是一种通过结合多个弱分类器或回归器来构建一个更强大的模型的方法。
它通过将若干个基分类器组合在一起,以达到获得更高性能和鲁棒性的目标。
常见的集成学习方法包括:Bagging、Boosting、Stacking等。
1. BaggingBagging方法通过从原始数据集中进行有放回的采样,生成多个子集,每个子集用于训练一个基分类器。
最后,通过将这些基分类器的结果进行投票或求均值的方式来预测新样本的类别或数值。
其中,随机森林(Random Forest)是Bagging方法的典型代表。
2. BoostingBoosting方法通过顺序训练多个基分类器,每个基分类器的训练数据集是上一个基分类器错误分类的样本集。
Boosting方法通过不断调整基分类器的权重,使得后续分类器对先前分类器错误分类的样本给予更高的重视。
常见的Boosting算法有Adaboost、GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)等。
3. StackingStacking方法通过将多个基分类器的预测结果作为输入,训练一个元分类器来进行最终的分类。
与Bagging和Boosting方法不同的是,Stacking方法的基分类器不是独立学习的,而是相互协作,通过将多个基分类器的预测结果作为特征输入到元分类器中进行训练和预测。
二、集成学习方法的应用集成学习方法在机器学习领域得到了广泛的应用,以下是一些常见的应用场景。
1. 图像分类在图像分类任务中,集成学习方法可以通过将多个基分类器的预测结果进行投票或求均值的方式来提高模型的性能。
例如,在人脸识别任务中,可以使用多个基分类器对人脸图像进行分类,并将它们的预测结果进行集成,以提高识别准确率。
集成学习——机器学习(周志华)
集成学习——机器学习(周志华)集成学习⽬录:个体和集成BoostingBagging与随机森林Bagging随机森林综合策略平均法投票法学习法多样性误差-分歧分解多样性度量多样性增强内容:个体和集成集成学习是通过构建并结合多个学习器来完成学习任务,如下图,集成学习通过将多个学习器结合,获得⽐单⼀学习器显著优越的泛化性能。
集成学习分为同质集成和异质集成,如果个体学习器全是⼀种算法称为同质集成,如果由不同算法⽣成,称为异质集成。
基学习器是对于同质集成说的。
要获得好的集成,个体学习器应该“好⽽不同”。
如下图,图1中每个分类器只有66.6%的精度,集成之后精度为100%,图2中集成之后性能没有提⾼,图3中每个分类器只有33.3%的精度,集成之后变得更糟。
⽬前集成学习⽅法⼤致分为两⼤类。
个体学习器间存在强依赖关系、必须串⾏⽣成得序列化⽅法(Boosting)个体学习器间不存在强依赖关系、可同时⽣成得并⾏化⽅法(Bagging和随机森林)BoostingBoosting的原理图如下Boosting族算法最著名得代表是Adaboost。
Adaboost算法流程如下,详细流程见,另外Bagging与随机森林BaggingBagging的原理图如下Bagging 采样出T 个含m 个训练样本的采样集,然后基于每个采样集训练出⼀个基学习器,再将这些及学习器进⾏结合。
采样的⽅法使⽤⾃助采样法。
从偏差-⽅差分解的⾓度看,Bagging 主要关注降低⽅差,因此它在不剪枝决策树、神经⽹络等易受样本扰动的学习器上效果更明显。
随机森林随机森林是Bagging 的⼀个扩展变体,是以决策树为及学习器构建Bagging 集成的基础上,进⼀步在决策树的训练过程中引⼊随机属性选择。
具体来说,传统决策树在选择划分属性时是在当前结点的属性集合(假定有d 个属性)中选择⼀个最优属性;⽽在RF 中,对基决策树的每个结点,先从该结点的属性集合中随机选择⼀个包含k 个属性的⼦集,然后再从这个⼦集中选择⼀个最优属性⽤于划分. 这⾥的参数k 控制了随机性的引⼊程度;若令k=dk = dk =d, 则基决策树的构建与传统决策树相同;若令k = 1 , 则是随机选择⼀个属性⽤于划分; ⼀般情况下,推荐值k=log2dk = log_2 dk =log2d 。
一文看懂集成学习(详解bagging、boosting以及他们的4点区别)
一文看懂集成学习(详解bagging、boosting以及他们的4点区别)在机器学习中,我们讲了很多不同的算法。
那些算法都是单打独斗的英雄。
而集成学习就是将这些英雄组成团队。
实现“3 个臭皮匠顶个诸葛亮”的效果。
本文将介绍集成学习的2 种主要思路:bagging、boosting。
什么是集成学习?集成学习归属于机器学习,他是一种「训练思路」,并不是某种具体的方法或者算法。
现实生活中,大家都知道「人多力量大」,「3 个臭皮匠顶个诸葛亮」。
而集成学习的核心思路就是「人多力量大」,它并没有创造出新的算法,而是把已有的算法进行结合,从而得到更好的效果。
集成学习会挑选一些简单的基础模型进行组装,组装这些基础模型的思路主要有 2 种方法:1.bagging(bootstrap aggregating的缩写,也称作“套袋法”)2.boostingBaggingBagging 的核心思路是——民主。
Bagging 的思路是所有基础模型都一致对待,每个基础模型手里都只有一票。
然后使用民主投票的方式得到最终的结果。
大部分情况下,经过bagging 得到的结果方差(variance)更小。
具体过程:1.从原始样本集中抽取训练集。
每轮从原始样本集中使用Bootstraping的方法抽取n个训练样本(在训练集中,有些样本可能被多次抽取到,而有些样本可能一次都没有被抽中)。
共进行k轮抽取,得到k个训练集。
(k个训练集之间是相互独立的)2.每次使用一个训练集得到一个模型,k个训练集共得到k个模型。
(注:这里并没有具体的分类算法或回归方法,我们可以根据具体问题采用不同的分类或回归方法,如决策树、感知器等)3.对分类问题:将上步得到的k个模型采用投票的方式得到分类结果;对回归问题,计算上述模型的均值作为最后的结果。
(所有模型的重要性相同)举例:在 bagging 的方法中,最广为熟知的就是随机森林了:bagging + 决策树 = 随机森林《/ai-definition/decision-tree/》《/ai-definition/random-forest/》BoostingBoosting 的核心思路是——挑选精英。
集成学习
训练基学习器并得到预测结果;以基学习器的预测结果作为输入特征训练元学习器;使用元学习 器进行最终预测。
Stacking算法特点
能够充分利用基学习器的信息,提高模型泛化能力;适用于基学习器之间存在较大差异的情况。
其他集成学习算法简介
随机森林(Random Forest)
基于Bagging算法的扩展,通过在每个决策树的训练过程中引入随机 特征选择来增加模型的多样性。
基模型选择原则及技巧
多样性原则
选择具有差异性和互补性的基模型,以提高集成效果。
准确性原则
基模型应具有一定的准确性,以保证集成后的性能提升。
复杂性与简单性权衡
根据实际问题需求,权衡模型复杂度和泛化能力。
常用基模型
决策树、神经网络、支持向量机等。
模型权重确定方法比较
平均权重法
简单平均或加权平均,适用于基模型性能相近的 情况。
自适应集成学习
03
根据数据分布和模型性能,自适应地调整基学习器和集成策略
,提高集成效果。
大规模数据集上集成学习挑战
计算资源需求
大规模数据集上训练多个基学习器需要大量的计算资 源,如何高效利用计算资源是面临的挑战。
模型选择与评估
在大量基学习器中选择合适的模型进行集成,以及如 何评估集成后的性能也是重要问题。
实验结果与分析
对比单个分类器和集成分类器的性能 ,分析集成学习在垃圾邮件识别问题 中的优势。
回归问题:房价预测
数据集介绍
采用房地产交易数据,包含房屋的面积、位置、装修等 特征以及对应的房价。
集成学习算法
采用随机森林或梯度提升机等集成学习算法,对房价进 行预测。
ABCD
Bagging算法在混合适应性样条中的应用
Bagging算法在混合适应性样条中的应用
赵慧;肖明
【期刊名称】《应用概率统计》
【年(卷),期】2005(021)003
【摘要】本文通过分析Bagging算法在混合适应性样条估计中的作用,提出了一种新的空间适应性非参数函数估计算法.模拟研究表明该算法在空间适应性上具有明显优势,在估计精度和稳定性方面也可与其他同类方法相媲美,并且易于推广到多元情形.
【总页数】7页(P278-284)
【作者】赵慧;肖明
【作者单位】华中师范大学统计系,武汉,430079;北京大学数学科学学院,北
京,100087;华中师范大学网络中心,武汉,430079
【正文语种】中文
【中图分类】O1
【相关文献】
1.基于Bagging集成聚类的改进遗传算法在装配线平衡中的应用 [J], 李爱平;赵亚西
2.属性相关选择和Bagging算法在入侵检测中的应用 [J], 魏浩;丁要军
3.Bagging算法在中文文本分类中的应用 [J], 张翔;周明全;耿国华;侯凡
4.基于Bagging策略的XGBoost算法在商品购买预测中的应用 [J], 谢冬青;周成骥
5.基于Bagging策略的XGBoost算法在商品购买预测中的应用 [J], 谢冬青;周成骥;
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简述dbscan算法及其工作流程 -回复
简述dbscan算法及其工作流程-回复DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一种基于密度的聚类算法。
它可以有效地将具有足够高密度的样本点聚集到一起,并且可以自动检测和排除噪声点。
DBSCAN算法的工作流程可以简单概括为以下几个步骤:确定核心对象、构建直接密度可达图、确定密度相连集合和噪声点。
首先,在DBSCAN算法中,需要设置两个重要的参数:邻域半径(epsilon)和最小邻居数(minPts)。
邻域半径指的是一个样本点的邻域范围,而最小邻居数指的是在该邻域范围内最少需要有多少个样本点,才能将该点作为核心对象。
1. 确定核心对象:遍历数据集的每一个样本点,如果该点的邻域内含有至少minPts个样本点,则将该点标记为核心对象。
邻域内的点可以通过计算点与点之间的距离来确定,通常使用欧氏距离或曼哈顿距离。
2. 构建直接密度可达图:对于每一个核心对象,根据邻域半径epsilon确定其epsilon-邻域内的所有样本点。
然后根据样本点之间是否互相核心对象来建立直接密度可达图。
如果两个样本点都是核心对象并且位于彼此的epsilon-邻域内,那么它们就是直接密度可达的。
3. 确定密度相连集合:通过递归地在直接密度可达图上进行搜索,将直接密度可达的样本点连在一起,形成一个密度相连集合。
如果一个样本点是核心对象,那么它就是密度相连集合的起点,并且连上所有直接密度可达的样本点。
4. 分离噪声点:最后,根据没有与任何密度相连集合关联的样本点,确定噪声点。
即,将没有与任何核心对象相连的样本点标记为噪声点。
DBSCAN算法具有以下几个优点:1. 不需要预先指定簇的个数:相比于其他聚类算法需要预先指定聚类簇的个数,DBSCAN算法可以自动检测簇的个数。
2. 对簇的形状和大小不敏感:DBSCAN算法可以有效地处理非球形、不同密度和不同大小的簇。
一种求解0-1背包问题的新遗传算法
一种求解0-1背包问题的新遗传算法
周本达;陈明华;任哲
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2009(045)030
【摘要】众所周知,遗传算法的运行机理及特点是具有定向制导的随机搜索技术,其定向制导的原则是:导向以高适应度模式为祖先的"家族"方向.以此结论为基础,利用随机化均匀设计的理论和方法,对遗传算法中的交叉操作进行了重新设计,给出了一个新算法,称之为随机化均匀设计遗传算法.最后将随机化均匀设计遗传算法应用于求解0-1背包问题,并与简单遗传算法和佳点集遗传算法进行比较.通过模拟比较,可以看出新的算法不但提高了算法的速度和精度,而且避免了其他方法常有的早期收敛现象.
【总页数】4页(P45-47,52)
【作者】周本达;陈明华;任哲
【作者单位】皖西学院,数理系,安徽,六安,237012;皖西学院,计算机科学与技术系,安徽,六安,237012;合肥学院,数理系,合肥,230022
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
【相关文献】
1.一种求解0-1背包问题的启发式遗传算法 [J], 王秋芬;梁道雷
2.一种求解0-1背包问题的退火贪婪遗传算法 [J],
3.一种改进的免疫遗传算法求解0-1背包问题 [J], 杜彦华;靳宗信
4.折扣{0-1}背包问题的简化新模型及遗传算法求解 [J], 杨洋;潘大志;刘益;谭代伦
5.求解折扣{0-1}背包问题的新遗传算法 [J], 吴聪聪; 贺毅朝; 赵建立
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Bagging for Path-Based ClusteringBernd Fischer,Student Member,IEEE,andJoachim M.Buhmann,Member,IEEEAbstract—A resampling scheme for clustering with similarity to bootstrap aggregation(bagging)is presented.Bagging is used to improve the quality of path-based clustering,a data clustering method that can extract elongated structures from data in a noise robust way.The results of an agglomerative optimization method are influenced by small fluctuations of the input data.To increase the reliability of clustering solutions,a stochastic resampling method is developed to infer consensus clusters.A related reliability measure allows us to estimate the number of clusters,based on the stability of an optimized cluster solution under resampling.The quality of path-based clustering with resampling is evaluated on a large image dataset of human segmentations.Index Terms—Clustering,resampling,color segmentation.æ1I NTRODUCTIONC LUSTERING objects into separated groups is an important topic in exploratory data analysis and pattern recognition.Many clustering techniques group the data objects together to“compact”clusters with the explicit or implicit assumption that all objects within one group are either mutually similar to each other or they are similar with respect to a common representative or centroid.The most prominent example of this concept is k-means clustering for vectorial data.Pairwise clustering[1]and distributional clustering [2],[3]are analogous examples for proximity data and histogram data.In many data analysis and pattern recognition scenarios, however,similarity between two objects is not only established by direct comparison,but it can be induced by mediating objects in between,i.e.,two objects might be considered similar when they are connected by a chain of intermediate objects where all dissimilarities or distances between neighboring objects in the chain are small.The path-based clustering approach[4]is able to extract elongated structures from the data in a robust way which is particularly useful in perceptual organization.The intuitive picture that two objects should be assigned to the same cluster if they can be connected by a mediating path of intermediate objects is modeled by the path-based clustering cost function which is defined in Section 3.The cost function can be seen as a generalization of graph-based clustering cost functions like minimum spanning tree clustering.Agglomerative optimization is a fast algorithm,which often yields satisfactory results,but these results may be influenced by small fluctuations in the data.The noise sensitivity of the connectivity clustering principle is cured by data resampling and this technique is described,in detail,for the first time in this paper.A bootstrap method based on replication sets avoids this detrimental effect as discussed in Section4.Resampling is used to measure the instability of the resulting grouping.The reliability measure defines a statistical criterion to determine the number of clusters which is often not known a priori.Our criterion for model order selection chooses the number of clusters with the highest stability as the preferable solution.In Section5,we use the presented techniques for image segmentation.To show the generality of the clustering technique,it is applied to segmentation on the basis of color information.It is evaluated on the Berkeley image segmentation data set,a collection of human segmentations. 2R ELATED W ORKA wealth of clustering techniques is described in the literature.The well-known single linkage algorithm,sometimes also named minimum spanning tree clustering algorithm[5],is an elementary method to find elongated(connected)structures in the data.In an agglomerative fashion,the algorithm starts with n different clusters,each containing exactly one object.A well-known problem of the minimum spanning tree algorithm is its high sensitivity to outliers.A single object which is far away from all other objects defines a separate cluster.If the data,which represents the objects are noisy,then the probability is high to get such outliers by chance.A cluster isolation criterion can avoid the assignment of almost all objects to one single cluster,e.g.,clustering based on the hypothesis of smooth increments[6].The pairwise data clustering approach[7],[1]is robust against such outliers since its cost function sums the average dissim-ilarities per cluster weighted with the number of objects in that cluster.The method prefers compact clusters with small intraclus-ter dissimilarities.Pairwise data clustering is unable to extract elongated structures like spiral arms or nested circles.Tishby and Slonim interpreted the dissimilarity matrix as transition probabilities of a Markov process[8].The decay in mutual information between the initial probability distribution and the distribution at time t is used to extract stable cluster configurations,i.e.,natural clusters are hypothesized to be stable under the memory decay of the Markov chain.Clustering,using a model of granular magnets,is motivated by statistical mechanics[9].Spectral methods to analyze the transition probability,as in[10],provide good results in image segmentation.The normalized cut methods[11]can be motivated by spectral methods.An important resampling technique for graph partitioning problems is a stochastic clustering algorithm,which samples cuts in a graph[12]and is based on Karger and Stein’s contraction algorithm[13].3C OST F UNCTIONIn most data analysis applications,the data are represented by vectors in an appropriate feature space.Distances are measured by Euclidean distances or more general‘p-norms of the distance vectors.In this paper,we assume a more general situation where objects are described by their pairwise dissimilarities which might violate the triangular inequality.The underlying space of objects is not represented explicitly,i.e.,it is not clear a priori how a new (generic)object is represented in terms of dissimilarities to all existing objects.Let us first define the proper mathematical structure of the clustering problem with some notations.A clustering instance, i.e.,the set of objects O¼f o1;...;o n g and their mutual dissimilarities D,is modeled as an undirected graph with vertex set O and edge set f D ij:o i;o j2Og.The dissimilarities are assumed to be symmetric or they have been symmetrized by the transformation D ijðD ijþD jiÞ=2.A clustering solution is denoted by a mapping function c:O!f1;...;k g,which assigns each object to one of the k labels.The quality of such an object assignment to clusters is measured by a cost function for path-based clustering H:C!I Rþ,which maps the space of clustering solutions C to the nonnegative reals.Depending on the scientific community,H is also called objective function,.The authors are with the Department of Computer Science III,Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universita¨t,Ro¨merstr.164,53117Bonn,Germany.E-Mail:{fischerb,jb}@cs.uni-bonn.de.Manuscript received30Apr.2002;revised11Feb.2003;accepted3June2003. Recommended for acceptance by E.Hancock,M.Figueiredo,M.Pelillo,and I. Zerubia.For information on obtaining reprints of this article,please send e-mail to: tpami@,and reference IEEECS Log Number118663.0162-8828/03/$17.00ß2003IEEE Published by the IEEE Computer Societyenergy function,or Hamiltonian.The cost function H ranks all clustering solutions according to their clustering costs with the optimal solution being defined by cüargmin c2C HðcÞ:In the sequel,we denote by O ðcÞthe set of objects,which are assigned to cluster by the mapping function c.The core of every clustering principle constitutes a criterion when two objects should belong to the same cluster.In pairwise clustering,two objects o i;o j should be assigned to the same cluster if they are similar,i.e.,D ij is small.This concept can be generalized by assuming that object similarity behaves transitive in many applications.Therefore,we consider all paths P ijðcÞfrom object o i to object o j,where all other objects on a connecting path belong to the same cluster as o i and o j.The dissimilarity mediated by a particular path p2P ijðcÞis defined as the maximal dissimilarity on this path.The effective dissimilarity between two objects is calculated as the minimum over all path distances,i.e.,D effij ¼minp2P ijðcÞmax1i j p jÀ1D p½i p½iþ1&':ð1ÞD eff ij provides the discriminative information to decide if two objects are jointly assigned to the same cluster or not.Paths between objects,which belong to different clusters,are not defined and they are not considered in the grouping criterion.It is important to restrict the intermediate objects on the paths to the same cluster as the two end objects of the path because,otherwise, two objects with a large gap between them can have a small effective dissimilarity,if there are intermediate objects from other clusters.With the definition of the effective dissimilarity(1),we are able to specify the path-based clustering cost function for a given number of clusters k.In analogy to pairwise clustering ([1]),the costs for each cluster are defined by the mean effective dissimilarity of cluster multiplied by the number jO j of objects,i.e.,H pbcðc;DÞ¼X2f1;...;k g O ðcÞj j D eff ðc;DÞ;ð2Þwhere the mean effective dissimilarity averages all the pairwise effective dissimilaritiesD effðc;DÞ¼1O ðcÞj jXo i2OXo j2OD effijðc;DÞ:ð3ÞThe cost function is invariant with regard to additive shift and to scaling of the dissimilarities.The best clustering solution with respect to the path-based clustering costs partitions the objects in such a way that objects which are drawn from the same region of high probability are grouped together.Optimization:In[4],we described an agglomerative optimiza-tion method for path-based clustering.We first start with n different clusters and,in each iteration step,the two clusters that minimize the path-based clustering cost function are merged. Agglomerative optimization has a low running time compared to other minimization methods like simulated annealing or iterated conditional mode,but it is more sensitive to small fluctuations in the data than simulated annealing.To compensate this effect,we use a bootstrap resampling method.4R ESAMPLINGThe agglomerative optimization yields good results and has a low running time,but two shortcomings of the method have to be addressed:First,it is not known how to guarantee that the global minimum of the path-based clustering energy function is found, i.e.,there is no efficient way to check,if the resulting mapping function qualifies as the global minimum.Second,the clustering result for two data sets drawn from the same data distribution should be comparable.To demonstrate the problem,we have drawn several resample data sets from the same input data instance by drawing n objects from the original input instance with replacements.In the two sample sets of Fig.1,the core structure of the spiral arms is found,but some parts are grouped wrongly due to noisy objects which build links between the different parts of the spiral arms.These links occur by chance and they do not exist in the underlying probability distribution.Levine and Domany’s figure of merit[14]defines a measure of consistency of two clusterings,but it does not provide information about the best association of the cluster labels.Strehl and Ghosh [15]introduced a consensus clustering as the partitioning that maximizes the mutual information to a set of clusterings.The authors,however,reported slow convergence of their consensus clustering estimate by mutual information.Another clustering combination method uses evidence accumulation[16].It first clusters the input data set multiple times with k-means with a large number of clusters that is much larger than the desired number. An accumulation matrix counts how often two objects are assigned to the same cluster.The single linkage algorithm applied to the accumulation matrix yields the final clustering result.This approach does not suffer from the problem of label permutations, but it relies on the fact that many heuristic clustering principles are trapped in suboptimal local minima.This behavior generates a variety of clustering solutions which can be used to calculate a consensus clustering.The method,however,lacks a solid statisticalFig. 1.Two subsamples from the same input data set.The agglomerative algorithm sometimes fails to extract the correct structure,due to noisy link objects.basis since the accumulation matrix might strongly depend on the initialization of the clustering algorithm.4.1A Maximum Likelihood Mapping by ResamplingWe suggest the following resampling scheme similar to bagging [17]for the supervised case to get an empirical probability distribution over the cluster assignments for each object:Draw B different data sets by sampling n objects with replacement from the empirical probability distribution defined by the input data set. Some objects might occur multiple times.The B multisets of objects on the resampled data set can be considered as bootstrap replications and they are denoted by O bð1b BÞ.The agglomerative optimization algorithm is employed to calculate a mapping function c b for each of these B replications.To estimate the probability of cluster assignments for each object,the B mapping solutions are combined,taking into account that the costs of a mapping are invariant with regard to a permutation of the cluster labels.A similar approach is described in[18],where the input data set is clustered once and then the labels of each bootstrap replication are permuted such that they fit best to the clustering on the input data set.Let us assume that the input data set of the example in Fig.1has some weak links between all three spiral arms such,that the three spiral arms form one cluster and some outlier object form the second and third cluster.The weak links will not affect most of the bootstrap replications,thus the algorithm will find the core structure of the spiral arms,but the permutation will be inconsistent for these replications,because the reference labeling is misleading.We,therefore,select the relabeling out of all k!label permuta-tions for the bþ1cluster solution which is best adapted to the clusterings of the b replications seen so far.The new mapping c bþ1 of the resample data set O bþ1is permuted such that it fits best to the empirical cluster assignment probabilities^p b o:f1;...;k g!½0;1 estimated from the first b mappings.Mathematically,we will search for the permutation that yields the largest probability mass over all cluster assignment probabilities,i.e.,bþ1¼argmax2S kXo2O bþ1^p boc bþ1ðoÞÀÁÀÁ();ð4Þwhere S k is the set of all permutations of k labels.By the selection criterion(4),we maximize the sum over the empirical cluster assignment probabilities over all objects of the new mapping configuration.In the beginning,the empirical distribution is assumed to be the uniform distribution.The problem of finding the best permutation can be rewritten as a weighted bipartite matching problem.The corresponding graph has two sets of nodes:the set of labels of the original mapping and the set of labels of the permuted mapping.The two sets of edges are connected by edges where each edgeði;jÞcorresponds to the assignment of label i in the original mapping to the label j in the permuted mapping.The weight w ij is given byw ij¼Xo2O bþ1:c bþ1ðoÞ¼i ^p boðjÞ:ð5ÞIn this case,the maximum bipartite matching finds the permuta-tion of the cluster labels which maximizes the sum over all corresponding weights of the matching.The following definition of the permutation is the maximum bipartite matching equivalent to the above definition(4)bþ1¼argmax2S X1i kw i ðiÞ():ð6ÞThe Hungarian method[19]solves the maximum bipartite matching problem with a running time of Oðk3Þ,if k is the number of labels.For a given number of resamples B,we have found the empirical cluster assignment distribution^p o for each object.This empirical distribution allows us to estimate the maximum like-lihood mapping function^cðoÞ¼argmax1‘k^p oð‘Þ:ð7ÞFig.2a shows the maximum likelihood mapping for our example for100bootstrap replications.The three noisy spiral arms are clearly found,but there are some unreliable assignments in the area of low density between the spiral arms.The empirical cluster assignment probability gives us information about the reliability of the cluster assignments.In Fig.2b,the probabilities of the maximum likelihood assignments are drawn.The dark color encodes that the given assignment has a high probability,whereas a light color shows a low assignment probability.Note that the objects in the center of the spiral arms have a higher assignment probability than the objects between the clusters.Fig.2.(a)Result of the resampling method.The cluster assignments are chosen as the maximum likelihood of the cluster assignment probabilities.(b)The probability of the cluster assignments of the maximum likelihood assignments for each object.Dark color shows a high probability and light color shows a low assignment probability.4.2Estimation of the Number of ClustersA general framework for estimating the number of clusters of a data set is presented in [18],[20].The resulting classifier is split in two data sets.The clustering result on the first data set is used to predict the labeling on the second data set.The clustering result on the second data set is then compared to the predicted solution using a variety of measurements for comparing two clusterings.Unfortunately,it is difficult to choose a predictor for path-based clustering.In the case of bootstrap resampling,there usually exists an overlap between two data sets and,thus,the predictor is naturally defined as an extension of the mappings for those objects which occur in both sets.In the bootstrap resampling scheme,wehave b different bootstrap replications that are already permuted such that they fit together and we are able to compare all b bootstrap replications in one step.For a single object,the assignment probability of the maximum likelihood assignment provides a measure for the reliability of the assignment.The mean cluster assignment probabilityp ¼1jOj Xo 2O ^po^c ðo ÞðÞð9Þis a measure for the reliability of the maximum likelihood mapping function.It can be used to indicate the number of clusters for which the maximum likelihood mapping ^c has the highest stability.In Fig.3,the dashed line shows the mean cluster assignment probability of the given example for various numbers of clusters.In this example,the three cluster solution has the largest mean cluster assignment probability,but,in general,it is not enough only to consider the mean cluster assignment probability.The dotted line shows the mean cluster assignment probability of an algorithm which chooses the mapping function randomly.The mean cluster assignment probability always assumes the maximum value of p ¼1for k ¼1clusters or k ¼n clusters.For k ¼1,the mean cluster assignment probability of the random labeling is one,for small k ,it approaches 1=k ,and,for larger k ,it increases until it reaches again 1at k ¼n .A clustering algorithm that learns the structure of the data cannot be worse on average than the risk of this random labeling.Our index to select the number of clusters will measure the gain in mean cluster assignment probability of the algorithm compared to the random labeling.If p 0denotes the mean cluster assignment probability of the random labeling,the mean assignment probability of the algorithm will vary between p 0and 1.We,therefore,propose the following stability index to detect the number of clusters for the given problemFig.3.The dashed plot shows the mean cluster assignment probability of the maximum likelihood estimation.The dotted plot is the mean assignment probability of randomly chosen cluster assignments.The relative difference of the mean cluster assignment probability and the random assignment probability is used to indicate the number of clusters (solidplot).Fig.4.Color segmentation on real-world images:(a)input image,(b)histogram clustering,(c)path-based clustering,and (d)cluster assignment probability.küargmax2i<npÀp01Àp0&':ð10ÞThis index identifies the number of clusters,which maximizes the difference between the mean cluster assignment probability p of the algorithm and the mean cluster assignment probability of random assignments p0relative to the risk of misclassification of the random cluster solution1Àp0.The dotted line in Fig.3shows the mean assignment probability of a random labeling,the dashed line shows the mean assignment probability of path-based clustering,and the solid line shows the relative difference for a small number of clusters.The index reaches the maximum for three clusters.The three cluster solution is preferred by the index as expected,but the index increases again for six clusters because of a symmetry of the data set.Each spiral arm is divided in two different clusters and there is one additional cluster in the middle of the data set.5E MPIRICAL E VALUATION ON H UMANS EGMENTATIONSPath-based clustering is presented as a general clustering method independent of its application.To demonstrate its usability,we have applied it to color segmentation.A color histogram on each color channel is used as a basic feature.The 2statistics gives the dissimilarity values for each pair of objects.Fig.4shows results for color segmentation.In these images,the elongated structures in feature space are formed by the color transition from light to dark blue in the sky and in the water. The centroid-based histogram clustering as well as normalized cut separates this color transition in several different clusters,whereas path-based clustering assigns the sky and the water to a single cluster.For an empirical evaluation of path-based clustering,the images from the Berkeley segmentation data set(BSDS100)[21] are segmented.Martin et al.developed two error measures for human segmentations.In empirical experiments,they observed that human segmentations are consistent with each other apart from refinements.The refinement of a segmentation should not be detected as an error.The local consistency error(LCE)can handle refinements in both directions from the first image to the second image and vice versa.The global consistency error(GCE)is restricted to refinements in one direction.First,we performed the same test as Martin et al.The test set consists of50training images and50test images.The training images are not used since our method does not require parameter tuning.We run the segmenta-tion on all test images using the number of clusters from thehuman segmentations.Fig.5b shows the distribution of the errors (LCE and GCE)for path-based clustering compared to human segmentations.For reference,we have drawn the distributions of Humans compared to Humans(Fig.5a)and of Humans compared to normalized cut segmentations(Fig.5e).The mean errors for path-based clustering with agglomerative optimization are 16.2percent(LCE)and22.4percent(GCE).The bootstrap aggregation improves the errors to12.4percent(LCE)and 17.0percent(GCE).These statistics are worse than the human segmentations compared to each other(LCE7percent and GCE 11percent),but it is significant better than normalized cut with mean errors22percent(LCE)and28percent(GCE)[21](see Fig.5e).The resampling scheme decreases the error by a factor of 0.59for LCE and0.53for GCE,if the mean error of the Human-Human comparison is subtracted.In the resampling solution,there is a large number of segmentations with a very low error.6C ONCLUSIONThis paper discusses the path-based clustering approach which is based on a connectivity criterion.It can,therefore,extract arbitrarily-shaped structures from the data.A fast agglomerative optimization algorithm yields satisfactory results in many of these data exploration situations.To avoid the dependency on small fluctuations in the data,a bootstrap resampling method is introduced that increases the reliability of results and,furthermore, it provides a measure for the uncertainty of the cluster assign-ments.The reliability measure can be used to estimate the number of clusters with the highest petitive segmentation results of color images on a large scale color segmentation benchmark experiment demonstrates that the new clustering principle can be applied to real-world data analysis tasks employ-ing a fast agglomerative clustering strategy with resampling. Fig.5.Histograms of the distribution of LCE(left)and GCE(right).(a)Human segmentations compared to human segmentations.(b)Human-path-based clustering with agglomerative optimization.(c)Human-path-based clustering with resampling(100bootstrap replications).(d)Human-max.stable path-based clustering segmentation.(e)Human-normalized cut.R EFERENCES[1]T.Hofmann and J.M.Buhmann,“Pairwise Data Clustering by Determinis-tic Annealing,”IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence,vol.19, no.1,pp.1-14,Jan.1997.[2] F.Pereira,N.Tishby,and L.Lee,“Distributional Clustering for EnglishWords,”Proc.IEEE puter Vision and Pattern Recognition,pp.638-639,1993.[3]J.Puzicha,T.Hofmann,and J.M.Buhmann,“Histogram Clustering forUnsupervised Segmentation and Image Retrieval,”Pattern Recognition Letters,vol.20,pp.899-909,1999.[4] B.Fischer and J.M.Buhmann,“Path-Based Clustering for Grouping SmoothCurves and Texture Segmentation,”IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence,vol.25,no.4,pp.513-518,Apr.2003.[5] A.Jain and R.Dubes,Algorithms for Clustering Data.Englewood Cliffs,N.J.:Prentice Hall,1988.[6] A.L.N.Fred and J.M.N.Leitao,“Clustering under a Hypothesis of SmoothDissimilarity Increment,”Proc.IEEE Conf.Pattern Recognition,vol.2, pp.190-194,2000.[7]R.O.Duda,P.E.Hart,and D.G.Stork,Pattern Classification.New York:JohnWiley&Sons,2001.[8]N.Tishby and N.Slonim,“Data Clustering by Markovian Relaxation andthe Information Bottleneck Method,”Advances in Neural Information Processing Systems,vol.13,pp.640-646,2001.[9]M.Blatt,S.Wiseman,and E.Domany,“Data Clustering Using a ModelGranular Magnet,”Neural Computation,vol.9,pp.1805-1842,1997. 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