谱图聚类算法研究进展
机器学习层谱聚类综述
机器学习层谱聚类综述王少将;刘佳;郑锋;潘祎诚【期刊名称】《计算机科学》【年(卷),期】2023(50)1【摘要】聚类分析在机器学习、数据挖掘、生物DNA信息等方面都起着极为关键的作用。
聚类算法从方法学上可分为扁平聚类和层谱聚类。
扁平聚类通常将数据集分为K个并行社区,社区之间没有交集,但现实世界的社区之间多具有不同层次之间的包含关系,因而层谱聚类算法能对数据进行更精细的分析,提供更好的可解释性。
而相比扁平聚类,层谱聚类研究进展缓慢。
针对层谱聚类面临的问题,从对代价函数的选择、聚类结果衡量指标、聚类算法性能等方面入手,调研了大量的相关文献。
其中聚类结果衡量指标主要有模块度、Jaccard指数、标准化互信息、树状图纯度等。
扁平聚类算法中比较经典的算法有K-means算法、标签传播算法、DBSCAN 算法、谱聚类算法等。
层谱聚类算法可以进一步划分为分裂聚类算法和凝聚聚类算法,分裂层谱聚类算法有二分K-means算法和递归稀疏割算法,凝聚层谱聚类算法有经典的Louvain算法、BIRCH算法和近年来提出的HLP算法、PERCH算法及GRINCH算法。
最后,进一步分析了这些算法的优缺点,并总结全文。
【总页数】9页(P9-17)【作者】王少将;刘佳;郑锋;潘祎诚【作者单位】华北计算技术研究所;空军工程大学基础部;北京航空航天大学计算机学院【正文语种】中文【中图分类】TP181【相关文献】1.机器学习中谱聚类方法的研究2.谱聚类算法及其应用综述3.基于信息熵-模糊谱聚类的非均质碎屑岩储层孔隙结构分类4.谱聚类算法及其应用综述5.谱聚类算法研究综述因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
面向高维数据的聚类算法研究
面向高维数据的聚类算法研究随着数据量不断增长，数据维度也越来越高，高维度数据处理已经成为了一个热门的研究领域。
在高维数据处理中，聚类算法是一种非常常见的数据分类方法。
本文将着重探讨面向高维数据的聚类算法的研究现状和发展趋势。
一、高维数据的挑战在高维数据中，样本点变得稀疏，难以表示，同时噪声的影响也更加明显。
为了克服这些问题，传统的聚类算法需要从原始特征进行特征选择，但这种方法并不能完全解决问题。
由于高维数据存在的困难，现代聚类算法已经不再是传统的聚类方法，而是不断调整、优化和创新的一系列技术。
二、K-Means 算法K-Means 算法是一种传统的聚类算法，它使用了平均值来查找数据中的数据点。
该算法的主要缺点是它需要用户指定聚类数量，并且结果不稳定。
但是，该算法在处理低维度数据上被证明是高效的。
对于高维度数据，可以使用类似于K-Means的聚类算法，通过密度、紧凑性和不同类之间的相似性来划分多维数据。
有一类使用经典 K-Means 的扩展算法，比如子空间聚类算法，它通过限制计算到数据的局部子空间中来降低样本的维度。
子空间聚类算法的缺点是需要对数据的特征进行先验处理，且计算复杂度仍然很高。
三、谱聚类算法谱聚类算法是一种基于图论的聚类算法，它将数据点作为图上的节点，并将它们相互连接。
该算法将数据降维到低维矩阵中，并使用线性代数工具对该矩阵进行分析。
其优点是可以从数据内部自适应提取特征，并且能够处理非线性聚类问题。
缺点是算法复杂度高，同时对原始数据的依赖性强。
四、基于密度的聚类算法基于密度的聚类算法是一种受欢迎的聚类算法，它不需要事先指定聚类数量。
该算法是在基于密度的聚类和离群点检测之间进行平衡的，该算法可以帮助识别孤立的群集和局部密度变化，但在高维数据上效果不佳。
五、DBSCANDBSCAN 是一种基于密度的聚类算法，它通过计算特征空间中数据特征点的密度来执行聚类。
这种算法是一个基于密度分区的算法，它不需要预先指定聚类的数量。
谱聚类算法综述
谱聚类算法综述一、本文概述谱聚类算法是一种基于图理论的机器学习技术，它在数据分析和模式识别中发挥着重要作用。
本文旨在对谱聚类算法进行全面的综述，从理论基础、算法流程、应用领域以及最新进展等多个方面进行深入的探讨。
我们将简要介绍谱聚类算法的基本概念和原理，包括图论基础、拉普拉斯矩阵、特征值分解等关键知识点。
然后，我们将详细阐述谱聚类算法的基本流程和主要步骤，包括数据预处理、构建相似度矩阵、计算拉普拉斯矩阵、求解特征向量和聚类等。
接下来，我们将重点分析谱聚类算法在不同领域中的应用，如图像处理、社交网络分析、机器学习等，并探讨其在这些领域中取得的成果和优势。
我们还将对谱聚类算法的性能进行评估，包括其时间复杂度、空间复杂度以及聚类效果等方面。
我们将对谱聚类算法的最新研究进展进行综述，包括新的算法模型、优化方法以及应用领域的拓展等方面。
通过对这些最新进展的梳理和总结，我们可以更好地了解谱聚类算法的发展趋势和未来研究方向。
本文旨在对谱聚类算法进行全面的综述和分析，为读者提供一个清晰、系统的认识框架，同时也为该领域的研究者提供有价值的参考和启示。
二、谱聚类算法的基本原理谱聚类算法是一种基于图理论的聚类方法，它通过将数据点视为图中的节点，数据点之间的相似性视为节点之间的边的权重，从而构建出一个加权无向图。
谱聚类的基本原理在于利用图的拉普拉斯矩阵（Laplacian Matrix）的特征向量来进行聚类。
构建相似度矩阵：需要计算数据点之间的相似度，这通常通过核函数（如高斯核函数）来实现，从而构建出一个相似度矩阵。
构建图的拉普拉斯矩阵：根据相似度矩阵，可以构建出图的度矩阵和邻接矩阵，进而得到图的拉普拉斯矩阵。
拉普拉斯矩阵是相似度矩阵和度矩阵之差，它反映了数据点之间的局部结构信息。
求解拉普拉斯矩阵的特征向量：对拉普拉斯矩阵进行特征分解，得到其特征向量。
这些特征向量构成了一个新的低维空间，在这个空间中，相似的数据点更接近，不相似的数据点更远。
谱聚类算法综述_蔡晓妍
＊)基金项目:国家863计划资助项目(2005AA147030)。
蔡晓妍 博士生,主要研究方向为智能信息处理、网络与信息安全;戴冠中 教授,博士生导师,主要研究领域为自动控制、信息安全;杨黎斌 博士生,研究方向为网络与信息安全、嵌入式系统。
计算机科学2008V ol .35№.7 谱聚类算法综述＊)蔡晓妍 戴冠中 杨黎斌(西北工业大学自动化学院 西安710072)摘 要 谱聚类算法是近年来国际上机器学习领域的一个新的研究热点。
谱聚类算法建立在谱图理论基础上,与传统的聚类算法相比,它具有能在任意形状的样本空间上聚类且收敛于全局最优解的优点。
本文首先介绍了图论方法用于聚类的基本理论,然后根据图划分准则对谱聚类算法进行分类,着重阐述了各类中的典型算法,并对算法进行了比较分析,最后进行总结并提出了几个有价值的研究方向。
关键词 谱聚类,谱图理论,图划分 Survey on Spectral C lustering AlgorithmsCA I Xiao -yan DA I Guan -zho ng YA N G Li -bin(C ollege of Autom ation ,Northw estern Polytechnical University ,Xi 'an 710072,China )A bstract Spectral clustering alg orithms a re new ly dev elo ping technique in recent year s .Unlike the traditional cluste -ring alg orithms ,these apply spect ral g raph theo ry to solve the clustering of no n -co nv ex sphere of sample spaces ,so that they can be conver ged to g lo bal o ptimal solution .In this paper ,the clustering principle based o n g raph theory is first in -troduced ,and then spectra l clustering alg orithms are catego rized acco rding to rules of g raph pa rtition ,and typical alg o -rithms are studied emphatically ,as well as their advantage s and disadvantage s are presented in de tail .F inally ,some v al -uable directions fo r fur ther research are pro po sed .Keywords Spec tral clustering ,Spectral g raph theo ry ,G raph par titio n 1 引言聚类分析是机器学习领域中的一个重要分支[1],是人们认识和探索事物之间内在联系的有效手段。
聚类分析算法在数据挖掘中的应用研究
聚类分析算法在数据挖掘中的应用研究随着大数据时代的到来，数据挖掘成为了热门研究领域。
数据挖掘的目的是从大量数据中提取出有价值的信息，进而发现数据之间的关系和规律，以便做出合理的决策。
数据挖掘技术广泛应用于商业、医疗、教育等领域，影响到了我们的生活和工作。
聚类分析是数据挖掘中最常见和重要的技术之一。
它的主要目的是将一组数据划分为若干个簇，使得同一个簇内的数据相似度较高，不同簇之间的数据相似度较低。
聚类分析的结果可以帮助我们更好地理解数据，发现数据的潜在结构和模式。
下面将着重介绍聚类分析算法在数据挖掘中的应用研究。
一、基本概念聚类分析算法是一种无监督学习方法，它不需要依赖先验知识，只需要通过自动学习得到数据的模式和特征。
聚类分析的基本概念如下：1. 簇（Cluster）：簇是聚类分析的核心，它是指一组相似的数据对象，同一个簇内的数据对象具有较高的相似度，而不同簇之间的数据对象具有较低的相似度。
2. 相似度（Similarity）：相似度是用来度量两个数据对象之间的相似程度的指标，它通常采用距离（Distance）或相似度（Similarity）来表示。
距离是指两个数据对象之间的差异程度，例如欧几里得距离、曼哈顿距离、余弦距离等。
相似度是指两个数据对象之间的相似程度，例如皮尔森相关系数、Jaccard距离、汉明距离等。
3. 聚类分析的步骤：聚类分析通常包括以下步骤：（1）选择合适的相似度度量方法和距离函数。
（2）选择合适的聚类算法，例如K-means、层次聚类、DBSCAN等。
（3）确定簇的个数。
（4）对数据进行聚类分析，生成簇的划分结果。
二、主要应用领域1. 社交网络分析社交网络分析是聚类分析的重要应用领域之一。
社交网络中的节点可以看作是数据对象，节点之间的联系可以看作是数据之间的相似度。
通过聚类分析，可以将社交网络中的节点划分为不同的社区，识别出社区内的重要节点和关键联系，从而发现网络的隐含结构和规律。
自适应谱聚类算法研究
自适应谱聚类算法研究
自适应谱聚类算法是谱聚类算法的一种改进方法，旨在解决传统谱聚类算法对于数据集的参数选择敏感的问题。
传统的谱聚类算法将数据集转化成一个图的拉普拉斯矩阵，然后对该矩阵进行特征值分解，得到特征向量，最后通过K-means聚类算法对特征向量进行聚类。
传统谱聚类算法的关键
在于如何选择图的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵的参数，例如领域的大小、相似度的度量等。
自适应谱聚类算法通过自适应选择参数，降低了对参数选择的依赖性。
具体而言，自适应谱聚类算法首先对原始数据集进行降维处理，以减少计算复杂度和避免维度灾难。
然后，通过计算相似度矩阵，选择合适的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵的参数。
最后，对特征向量进行K-means聚类，得到最终的聚类结果。
自适应谱聚类算法的优点是能够自动选择参数，减少了人工调参的工作量，同时可以根据不同的数据集选择最佳的参数，提高了聚类算法的性能。
然而，该算法的缺点是计算复杂度较高，需要进行降维和计算相似度矩阵等操作。
总的来说，自适应谱聚类算法是一种改进的谱聚类算法，通过自适应选择参数，提高了聚类算法的性能和适用性。
在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的谱聚类算法来解决聚类问题。
谱聚类算法研究综述
1.College of Software, Xinjiang University, Urumqi 830046, China 2.Key Laboratory of Software Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China 3.Key Laboratory of Signal Detection and Processing in Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830046, China
变化而改变，因此 σ 需要经过多次取值实验才能确定[23]。
度矩阵是记为 D 的对角矩阵，度值为对角元素。
计算方式如公式（2）所示：
∑ Dij = Wij j
（2）
规范相似矩阵一般形式定义为：
W nor
=
-
D
12WD-
1 2
Wnor(i,j) =
W (i,j) D(i.j) D(i,j)
（3） （4）
1 谱聚类算法概述
谱聚类算法的思想起源于谱图划分理论[18]，谱聚类 通过样本相似度生成无向加权图，样本点可看作图的顶 点，样本点间的相似度为两点间边的权重，而对无向加 权图进行谱图划分就是将图划分为若干个子图，该过程 与聚类算法的聚类过程对应。图论的最优划分准则[14] 与聚类最优准则在思想上具有一致性，为聚类问题转化 为图划分问题提供思路与理论支撑。对于谱图划分而 言，图划分准则的选取将直接影响划分结果，常用的图 划分准则有规范割集、最小割集、平均割集、比例割集等 准则[19]。与谱图划分相比，谱聚类算法考虑问题连续放 松 形 式 ，将 图 分 割 问 题 转 换 为 求 相 似 矩 阵 的 谱 分 解 问 题[20]。谱聚类算法依据划分准则的不同，总体分为迭代 谱聚算法与多路谱聚类算法。目前多路谱聚类算法因 其简单易于理解特性应用更为广泛，NJW 算法是经典 多路谱聚类算法。多路谱聚算法实现细节略有差异，但 核心思想基本一致，其主要思想如下：
聚类算法在数据挖掘中的应用研究
聚类算法在数据挖掘中的应用研究一、聚类算法的基本概念聚类算法是一种无监督学习方法，其主要目的是将数据集中的对象按照某种相似度度量进行分组，形成若干个聚类集合。
这些聚类集合内部成员对象的相似度要比集合间的差异度高，同时使得集合内部的差异度尽可能小。
聚类分析通常分为两种：层次聚类和划分聚类。
层次聚类是通过不断将相似的对象合并成为更大的聚类集合，直到所有对象都被归为一类为止。
划分聚类是通过将对象划分为若干个互不重叠的聚类集合，每个对象只属于一个聚类，从而得到不同的类别。
二、聚类算法的应用1.图像分割图像分割是指将一幅图像分成多个区域，每个区域内的像素具有相似的属性。
聚类算法可以通过对图像中像素的相似度进行度量，将其划分为不同的区域，从而实现图像分割。
2.推荐系统推荐系统是一种经常用到的数据挖掘技术。
聚类算法可以对用户或物品进行聚类，得到不同的用户或物品类别，然后可以为每个用户或物品赋予类别标签，从而更好地为其推荐商品或内容。
3.生物信息学聚类算法在生物信息学中也有着广泛的应用。
通过对基因序列中的相似性进行聚类分析，可以研究生物物种的进化关系。
同时，在药物研究中，聚类算法也可以用来对大量化合物进行筛选和分类。
4.市场营销聚类算法可以根据不同的消费者行为特征，将消费者分为不同的群体，并对不同群体的消费特征进行分析。
根据不同群体的消费特征，可以针对性地进行营销策略，从而提高市场竞争力。
三、聚类算法的研究进展近年来，聚类算法在数据挖掘和机器学习领域中的研究一直保持着高速发展的状态。
下面列举几个目前较为热门的聚类方法。
1.K-Means聚类算法K-Means聚类算法是一种经典的划分聚类算法，其主要思想是在数据空间中随机选择K个聚类中心，然后根据距离度量将每个数据对象分配到最近的聚类中心。
接着计算每个聚类的中心点并重新分配所有数据对象，如此反复迭代，直到聚类中心不再改变或达到最大迭代次数为止。
2.DBSCAN聚类算法DBSCAN聚类算法是一种基于密度的聚类算法，其优点在于不需要事先指定聚类个数。
聚类算法的发展趋势与未来展望
聚类算法的发展趋势与未来展望一、引言聚类算法是数据挖掘和机器学习领域中的重要技术之一，它通过对数据进行分组，将相似的数据点归为一类，以揭示数据之间的内在关系。
随着大数据时代的到来，聚类算法在各个领域的应用越来越广泛，其发展也备受关注。
本文将探讨聚类算法的发展趋势与未来展望。
二、传统聚类算法在传统的聚类算法中，K-means算法是最为经典和常用的方法之一。
该算法通过不断迭代更新聚类中心，将数据点划分到最近的中心点所代表的簇中。
此外，层次聚类、密度聚类等方法也被广泛应用。
然而，传统聚类算法在处理大规模高维数据时存在计算复杂度高、对初始聚类中心敏感等问题。
三、基于深度学习的聚类算法随着深度学习技术的迅猛发展，基于深度学习的聚类算法也逐渐成为研究热点。
深度学习技术的强大特征提取能力，使得基于深度学习的聚类算法在处理高维数据时表现出色。
例如，基于自编码器的聚类算法、谱聚类算法等，都取得了不错的效果。
未来，随着深度学习技术的不断进步，基于深度学习的聚类算法有望在更多领域得到应用。
四、非监督学习的发展聚类算法属于非监督学习范畴，近年来，非监督学习的发展也对聚类算法的发展产生了深远影响。
例如，生成对抗网络（GAN）等新型非监督学习技术，为聚类算法的改进提供了新的思路和方法。
未来，非监督学习技术的不断发展将为聚类算法的研究和应用带来新的动力。
五、跨学科融合的趋势随着多学科交叉融合的需求日益增长，聚类算法也将更多地与其他学科相结合。
例如，在生物信息学、医学影像分析等领域，跨学科融合将为聚类算法的应用带来更多可能性。
未来，跨学科融合将成为聚类算法发展的一大趋势。
六、移动端与边缘计算的兴起随着移动互联网的普及和边缘计算技术的发展，移动端和边缘设备上的聚类算法需求也日益增长。
相比传统的数据中心，移动端和边缘设备上的聚类算法需要考虑计算资源有限、能耗低等特点。
因此，未来的聚类算法发展将更加注重移动端和边缘计算领域的应用场景。
基于谱分析的密度峰值快速聚类算法
基于谱分析的密度峰值快速聚类算法密度峰值聚类算法是一种基于密度的聚类算法，它的核心思想是基于数据点的密度，找到数据中的局部密度峰值，并通过将密度峰值之间的最大距离作为簇的半径，将数据点划分到不同的簇中。
然而，当数据量较大时，密度峰值聚类算法的计算复杂度会很高，导致算法效率低下。
因此，为了提高算法效率，本文提出了一种基于谱分析的密度峰值快速聚类算法（SDPFC）。
谱分析是一种流行的数据分析方法，它可以将数据分解为一系列正交基向量，从而为数据分类、聚类等任务提供基础。
SDPFC算法使用谱分析的思想，利用数据点之间的相似性来加速密度峰值聚类的计算，并将数据点映射到低维空间中进行聚类分析。
具体来说，SDPFC算法的流程如下：步骤一：计算相似矩阵将数据中的每个数据点看作图中的一个节点，计算它们之间的相似性来构建相似矩阵。
相似矩阵采用高斯核函数计算，即：$$ W_{ij}=exp(-\frac{\left \| x_{i}-x_{j} \right \|^{2}}{2\sigma ^{2}}) $$其中，$W_{ij}$表示数据点$i$和$j$之间的相似性，$x_i$和$x_j$是数据点的向量表示，$\sigma$是高斯核函数的带宽参数。
根据相似矩阵构建拉普拉斯矩阵，可以使用度矩阵和邻接矩阵计算拉普拉斯矩阵$L=D-W$，其中$D$为度矩阵，$W$为相似矩阵。
步骤三：计算特征向量对拉普拉斯矩阵进行特征分解，得到特征向量$V=[v_1,v_2,...,v_n]$和对应的特征值$\lambda=[\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n]$，其中$v_i$是第$i$个特征向量，$\lambda_i$是第$i$个特征值。
步骤四：选择主成分根据特征值大小，选择前$k$个主成分，将数据投影到低维空间中。
在SDPFC算法中，我们可以根据数据的分布情况和需要的聚类数量，选择不同的主成分数量。
步骤五：计算密度峰值将数据点在低维空间中表示，并计算每个数据点的局部密度和相对于其他数据点的局部密度峰值。
图的谱理论及其相关问题的研究
图的谱理论及其相关问题的研究图的谱理论及其相关问题的研究一、引言图的谱理论是图论中的一种重要分支，它研究图的特征值和特征向量之间的关系以及图结构和图的谱特性之间的联系。
图的谱理论在自然科学、工程学、社会科学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍图的谱理论的基本概念、相关问题和最新研究进展。
二、图的谱理论的基本概念1. 图的特征值和特征向量对于一个图G，其邻接矩阵A可以表示为一个n阶方阵，其中n为图的顶点数。
图G的特征值是指满足以下方程的标量λ：det(A-λI) = 0其中，I为单位矩阵。
特征值λ对应的特征向量x满足以下方程：(A-λI)x = 02. 图的谱特性图的谱特性是指图结构和特征值、特征向量之间的关系。
图的谱特性包括谱半径、代数连通度、谱间距等。
- 谱半径是指图的所有特征值的绝对值中的最大值。
谱半径越大，说明图的整体结构越复杂。
- 代数连通度是指图的特征值绝对值中最小的非零特征值。
代数连通度描述了图的强连通性。
- 谱间距是指图的连续特征值和非连续特征值之间的最小距离。
谱间距越大，说明图的结构较为稳定。
三、图的谱理论的相关问题1. 图的分割问题图的分割问题是指将图分割成若干个互不相交的子图的问题。
谱图分割是根据图的谱特性将图划分成两个或多个子图的方法之一。
通过最小化子图之间的边权重和，可以得到较好的图分割结果。
2. 图的聚类问题图的聚类问题是指将图中的节点分成若干个不相交的簇的问题。
谱聚类方法通过图的拉普拉斯矩阵的特征向量进行节点聚类。
将图的谱特征和节点距离结合起来，可以得到更好的聚类结果。
3. 图的嵌入问题图的嵌入问题是指将图投影到低维空间中的问题。
谱嵌入方法将图的拉普拉斯矩阵的特征向量作为图的低维表示。
通过将图嵌入到低维空间中，可以更好地探索图的结构和关系。
四、图的谱理论的最新研究进展图的谱理论的研究一直在不断发展，涌现了许多新的方法和技术。
以下是其中的几个最新研究进展：1. 异构图的谱分析异构图是指节点具有不同属性或特征的图。
谱聚类算法 算法简介
谱聚类算法算法简介 谱聚类算法建立在谱图理论基础上，与传统的聚类算法相比，它具有能在任意形状的样本空间上聚类且收敛于全局最优解的优点。
该算法首先根据给定的样本数据集定义一个描述成对数据点相似度的亲合矩阵,并且计算矩阵的特征值和特征向量，然后选择合适的特征向量聚类不同的数据点。
谱聚类算法最初用于计算机视觉、VLS I 设计等领域，最近才开始用于机器学习中，并迅速成为国际上机器学习领域的研究热点。
谱聚类算法建立在图论中的谱图理论基础上，其本质是将聚类问题转化为图的最优划分问题，是一种点对聚类算法，对数据聚类具有很好的应用前景。
算法步骤 谱聚类算法将数据集中的每个对象看作是图的顶点V，将顶点间的相似度量化作为相应顶点连接边E的权值，这样就得到一个基于相似度的无向加权图G(V, E)，于是聚类问题就可以转化为图的划分问题。
基于图论的最优划分准则就是使划分成的子图内部相似度最大，子图之间的相似度最小。
虽然根据不同的准则函数及谱映射方法，谱聚类算法有着不同的具体实现方法，但是这些实现方法都可以归纳为下面三个主要步骤： 1) 构建表示对象集的相似度矩阵W； 2) 通过计算相似度矩阵或拉普拉斯矩阵的前k个特征值与特征向量，构建特征向量空间； 3) 利用K-means或其它经典聚类算法对特征向量空间中的特征向量进行聚类。
上面的步骤只是谱聚类算法的一个总体框架，由于划分准则、相似度矩阵计算方法等因素的差别，具体的算法实现同样会有所差别，但其本质依然是图划分问题的连续放松形式。
划分准则 谱聚类算法将聚类问题就可以转化为图的划分问题之后，基于图论的划分准则的优劣直接影响到聚类结果的好坏。
常见的划分准则有Mini cut，Average cut，Normalized cut，Min-max cut，Ratio cut，MNcut等。
最小割集准则 在对图像分割中产生了较好的效果，但是该准则容易产生分割出只包含几个顶点的较小子图的歪斜分割现象。
谱聚类算法(Spectral Clustering)原理分析
谱聚类算法(Spectral Clustering)谱聚类(Spectral Clustering, SC)是一种基于图论的聚类方法——将带权无向图划分为两个或两个以上的最优子图，使子图内部尽量相似，而子图间距离尽量距离较远，以达到常见的聚类的目的。
其中的最优是指最优目标函数不同，可以是割边最小分割——如图1的Smallest cut(如后文的Min cut)，也可以是分割规模差不多且割边最小的分割——如图1的Best cut(如后文的Normalized cut)。
图1 谱聚类无向图划分——Smallest cut和Best cut 这样，谱聚类能够识别任意形状的样本空间且收敛于全局最优解，其基本思想是利用样本数据的相似矩阵(拉普拉斯矩阵)进行特征分解后得到的特征向量进行聚类。
1 理论基础对于如下空间向量item-user matrix：如果要将item做聚类，常常想到k-means聚类方法，复杂度为o(tknm)，t为迭代次数，k为类的个数、n为item个数、m为空间向量特征数：1 如果M足够大呢？2 K的选取？3 类的假设是凸球形的？4 如果item是不同的实体呢？5 Kmeans无可避免的局部最优收敛？……这些都使常见的聚类问题变得相当复杂。
1.1 图的表示如果我们计算出item与item之间的相似度，便可以得到一个只有item的相似矩阵，进一步，将item看成了Graph(G)中Vertex(V)，歌曲之间的相似度看成G中的Edge(E)，这样便得到我们常见的图的概念。
对于图的表示(如图2)，常用的有：邻接矩阵：E，e ij表示v i和v i的边的权值，E为对称矩阵，对角线上元素为0，如图2-2。
Laplacian矩阵：L = D – E，其中d i (行或列元素的和)，如图2-3。
图2 图的表示1.2 特征值与L矩阵先考虑一种最优化图像分割方法，以二分为例，将图cut为S和T两部分，等价于如下损失函数cut(S, T)，如公式1所示，即最小(砍掉的边的加权和)。
谱聚类算法 算法简介
谱聚类算法算法简介谱聚类算法建立在谱图理论基础上，与传统的聚类算法相比，它具有能在任意形状的样本空间上聚类且收敛于全局最优解的优点。
该算法首先根据给定的样本数据集定义一个描述成对数据点相似度的亲合矩阵,并且计算矩阵的特征值和特征向量，然后选择合适的特征向量聚类不同的数据点。
谱聚类算法最初用于计算机视觉、VLS I 设计等领域，最近才开始用于机器学习中，并迅速成为国际上机器学习领域的研究热点。
谱聚类算法建立在图论中的谱图理论基础上，其本质是将聚类问题转化为图的最优划分问题，是一种点对聚类算法，对数据聚类具有很好的应用前景。
算法步骤谱聚类算法将数据集中的每个对象看作是图的顶点V，将顶点间的相似度量化作为相应顶点连接边E的权值，这样就得到一个基于相似度的无向加权图G(V, E)，于是聚类问题就可以转化为图的划分问题。
基于图论的最优划分准则就是使划分成的子图内部相似度最大，子图之间的相似度最小。
虽然根据不同的准则函数及谱映射方法，谱聚类算法有着不同的具体实现方法，但是这些实现方法都可以归纳为下面三个主要步骤：1) 构建表示对象集的相似度矩阵W；2) 通过计算相似度矩阵或拉普拉斯矩阵的前k个特征值与特征向量，构建特征向量空间；3) 利用K-means或其它经典聚类算法对特征向量空间中的特征向量进行聚类。
上面的步骤只是谱聚类算法的一个总体框架，由于划分准则、相似度矩阵计算方法等因素的差别，具体的算法实现同样会有所差别，但其本质依然是图划分问题的连续放松形式。
划分准则谱聚类算法将聚类问题就可以转化为图的划分问题之后，基于图论的划分准则的优劣直接影响到聚类结果的好坏。
常见的划分准则有Mini cut，Average cut，Normalized cut，Min-max cut，Ratio cut，MNcut等。
最小割集准则在对图像分割中产生了较好的效果，但是该准则容易产生分割出只包含几个顶点的较小子图的歪斜分割现象。
高光谱图像分类算法的研究与实现
高光谱图像分类算法的研究与实现随着高光谱遥感技术的快速发展，获取高光谱数据集的难度越来越小，但如何从大量的光谱数据中提取有用的信息，成为研究者们所关注的重要问题。
分类作为高光谱图像应用的核心问题之一，属于监督学习的范畴，具有广泛的应用前景。
本文将介绍高光谱图像分类算法的研究现状和实现方法。
一、高光谱图像分类算法研究现状高光谱图像分类算法是从多光谱图像或全色图像中提取光谱信息以分类物体的遥感应用算法。
目前，高光谱图像分类算法主要有以下几种：1. 基于统计学习的分类算法统计学习是通过对大量实例进行学习和推断来构造模型，对观测数据进行分类或回归预测的方法。
在高光谱图像分类中，常用的统计学习算法包括KNN、SVM、决策树等。
这些算法快速高效，特别是在小样本分类中表现优秀，但是在对特征提取方法不足和噪声较多的情况下，分类精度有待提高。
2. 基于神经网络的分类算法神经网络是一种模拟人脑神经系统的学习算法，具有一定的自适应性，可增加模型的分析能力。
在高光谱图像分类中，常用的神经网络算法包括BP神经网络、SOM神经网络、CNN神经网络等。
这些算法具有极强的图像处理和模式匹配能力，但是需要大量样本，且模型复杂，训练速度较慢。
3. 基于深度学习的分类算法深度学习是近年兴起的一种基于神经网络的学习算法，包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）等，具有很强的自适应性和泛化能力。
在高光谱图像分类中，深度学习算法具有很大的优势，目前在高光谱遥感分类领域有很多应用。
二、高光谱图像分类算法实现方法1. 特征提取特征提取是高光谱图像分类算法的重要环节。
目前，特征提取方法主要包括基础特征提取、频域特征提取、小波变换特征提取和稀疏表示特征提取等。
基础特征提取是最常用的方法之一，包括光谱信息和空间信息。
以光谱信息为例，可以采用平均值、标准差或者主成分分析等方法来提取基础特征。
空间信息可以通过纹理信息、梯度等方式来提供基础特征。
基于图划分的谱聚类方法的研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｃ ｒ ｌ ｌ ｔ ｒｎ ｓ ｄ ｏ ｒ ｐ ａ ｔｔｏ ｓ ａ ｃ ｆｓ ｐｅ ｔａ ｕｓｅ ｉ ｇ ｂａ ｅ ｎ ｇ ａ ｈ ｐ ｒｉｉ ｎ ｃ ＷＡＮＧ ｉ ｉｇ Ｃ Ｎ ｕ － ｅ Ｈｕ ｎ ， ＨＥ Ｊ ｎｊ ｑ ｉ
给 定 一 无 向加 权 图 Ｇ （ ： ， ［ ］ 为一对 称矩 阵，
的 谱 分 割 原 理 ， 聚 类 首 先 以 待 聚 类 的 数 据 对 象 集 构 造 无 向 谱
加 权 图 ， 后 通 过 分 析 与 图 相 关 的矩 阵 的特 征 向量 和 特 征 值 然 来得到 聚类结 果。 聚类 算法最 初用于 Ｖ Ｓ 设计 、 算机视 谱 ＬＩ 计 觉、 图像 分 割 等 领 域 ， 逐 步 扩 展 到文 本 挖 掘 和 生物 信 息 挖 掘 并 等 领 域 中 。 国 内 外 学 者 对 谱 聚 类 做 了广 泛 的 研 究 ， 在 实 践 并
计 算 机 工 程 与 设 计 Ｃ ｍ ｕ ｒ ｎｉ ｅ ｎ ｄ ｅ ｇ ２ １， ｏ． ， ｏ ｏ ｐｔ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ ｎ Ｄ ｓ ｎ ０ １ Ｖ １ ２ Ｎ ． ｅ ｎ ｉ ａ ｉ ３ １
２９ ８
基 于 图划分 的谱 聚类方法 的研 究
王 会 青 ， 陈 俊 杰
（ 太原 理 ＿ 大 学 计 算机 与 软件 学 院， 山 西 太原 ０ ０ ２ ） Ｔ － ３ ０ ４
（ ｓｔｔ ｏ ｏ ｐ ｔｒ ｎ ｏｔ ａｅ Ｔ ｉｕｎＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃｎ ｌ ｙ Ｔ ｉ ａ ３ ０４ Ｃ ｉａ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｍ ｕｅ ａｄＳ ｆ ｒ， ａ ａ ｎｖ ｓｙ ｆ ｅｈ ｏｏ ， ａ ｕ ｎ０ ０２ ， ｈｎ） ｎｉ Ｃ ｗ ｙ ｅ ｉ Ｔ ｇ ｙ
基于图谱理论的图像聚类数的确定及应用
从理论上解 决了聚类数 的确 定问题 ，而且运 用于实际图像 时，准 确度 也较高．尤其是对于含 噪 大，分布复杂 的Ｓ Ｒ图像或极化 Ｓ Ｒ图像 ，用该方法所确 定的聚类 数 的准确度更是 高于其他 Ａ Ａ 方法 ：同时也给 出 了 的取值范 围．本文 的结构安排如下 ：首先 给出图谱理论的相关概念 ，接
工
程
数
学 Biblioteka 学 报 第 ２ 卷 ９
度 是 Ｏ（０；第二 ，由于选 择 的 ｋ ｎ） 个特征矢量所包含 的信息量较少 ，尤其在 原始数据存在噪 声
时，它对真 实数据 的表征存在很大错误 ，因此，用 该方法确 定聚类数 时，不仅耗 时且准确率较 低 ．本文在前人研 究成 果的基础 上，提 出了一种 新的基 于图谱理 论的聚类数确 定方法 ．它不仅
分类号：ＡＭ Ｓ ２ ０ ）６ Ｅ ０ （０ ０ ２ ２
中图分类号： １ ． Ｏ２ ２１
文献标识码 ： Ａ
１ 引 言
聚 类 是 数据 挖 掘 、 模 式识 别 研 究 中重 要 的分 析 阶 段 ．迄 今 ，研 究 者 已提 出多种 聚 类 算 法 【３，并在许 多方面得到 了广 泛 的应用 ．然而 ，许 多聚类 算法需要根据 经验 或相关领域 的背 卜Ｊ 景知识 自行给定聚类数 ，所 以这种聚类 算法 在处理实 际问题 时可操作性 不强，聚类数 的选取会
所 以，一些研 究人员开 始用基于 图谱理论 的知识来确 定聚类数 ．文献 『 指 出对于 一幅 图像来 ９ ］ 说 ，它 的聚类 数是权矩 阵的特 征值为 １ 的个数 ．尽管该准则 能给 出实际 图像的聚类数 ，但是对 那些分 布情况复杂 ，存 在噪声 的图像 ，用该方法确 定 的聚类数将偏 离 １ ，于是用该方法确定 的 聚类数 ，准确度 不高 ．文献 ｆ 基于矩 阵的扰动分 析理论 ，通 过对 图的权 矩阵 的特 征值研究 ， ９ ］ 得 出权矩 阵的特 征值 和聚类数 的关系 ，理论 上解 决 了加权 图中 自动确定聚类数 的问题 ，但在将 该方法 求 出的聚类数 应用 于实际 图像 的分 类 时，尤其是对 于 Ｓ ＡＲ图像或者 极化 Ｓ Ｒ图像 （ Ａ 含 大量 噪声） ，误分较 高 ，实际分割 效果较 差 ，适用 性不 是很强 ．文献 ［ 】 过对特征 矢量进行 １ 通 ０ 选择 ，实现 了用特 征矢量确定聚类数 的 目的．但用 该方法确定聚类数 时存在两个 问题 ：第一 ， 矩 阵特征矢量 的计算复杂度较 高，一般 情况下 ，对于有 ｎ个点的 图像数据来说 ，它 的计算复杂
聚类算法的发展趋势与未来展望(九)
聚类算法的发展趋势与未来展望引言聚类算法是一种数据挖掘和机器学习中常用的技术，其主要目的是将数据集中的对象划分为若干个相似的子集，这些子集被称为簇。
聚类算法的发展趋势和未来展望是当前数据科学领域的热门话题之一。
本文将从历史回顾、当前研究现状和未来发展三个方面探讨聚类算法的发展趋势和未来展望。
历史回顾聚类算法的历史可以追溯到上世纪的统计学领域。
最早的聚类算法是基于随机抽样和统计分布的算法。
20世纪60年代，K-means算法被提出，成为了最早的迭代聚类算法。
自此之后，聚类算法得到了快速发展，涌现出了K-medoids、DBSCAN、层次聚类等多种经典算法。
这些算法在数据挖掘、模式识别、生物信息学等领域都得到了广泛应用。
当前研究现状当前，聚类算法的研究正处在一个百花齐放的阶段。
除了经典的聚类算法外，一些新的聚类算法也在不断涌现。
比如，基于密度的聚类算法（Density-based Clustering）和谱聚类算法（Spectral Clustering）等，这些算法在处理高维数据、噪声数据和非凸形状数据时表现出了很好的效果。
此外，深度学习技术的兴起也为聚类算法的发展带来了新的动力，深度聚类算法（Deep Clustering）成为了当前研究的热点之一。
未来展望从当前的研究现状来看，聚类算法的未来发展有以下几个趋势和展望：首先，基于深度学习的聚类算法将会成为未来的主流。
深度学习技术具有强大的特征学习能力，可以提取数据中的高阶特征，对非线性、高维度数据具有很好的表征能力。
因此，基于深度学习的聚类算法将会成为未来的发展方向，这将有助于解决传统聚类算法在处理高维数据和复杂数据上的局限性。
其次，非监督学习和半监督学习在聚类算法中的应用将会得到进一步拓展。
目前，大部分聚类算法都是基于无监督学习的，而随着数据量的不断增大和标注数据的不断增加，非监督学习和半监督学习将会在聚类算法中得到更广泛的应用。
这将有助于提高聚类算法的准确度和鲁棒性。
遗传优化的谱聚类方法研究
摘 要： 传统的谱聚类对初始化数据敏感， 聚类结果随不同的初始输入数据而波动。针对上述问题， 提出了一种基于遗传算法的 谱 聚类算法 ， 该算 法克服 了谱聚类 算法对初始数据 的敏感性 ， 得到较稳 定 的聚 类结果 。与遗传 ｋ 均值和谱 聚类算法相 比 ， 算法 该
在模拟数据 和ＵＣ 数据 集上获得 了较好 的聚类性 能。 Ｉ
关键词 ： 谱聚类 ； 算法 ； 遗传 谱图理论； 均值算法； ｜ ｊ ｝ 机器学 习 ＤＯ ：０３ ７ ／ｉ ｎ１０ ．３ １ ０ １１． １ 文章编 ｇ ：０ ２８ ３ （ ０ １ １ －１３０ 文献标识码 ： Ｉ １．７ ８ ．ｓ． ２８３ ． １． ０ ｊｓ ０ ２ ４４ －１０ －３ １２ １ ）４０ ４ ．３ Ａ 中图 分类号： Ｐ １． Ｔ ３ １１ ２
ｗｈ ｃ ｏ ｅｃ ｍｅ ｔｅ ｅ ｓｔ ｉ ｏ ｅ ｎｉａ ｄ ｔ ａ ｄ ｅ ｔｅ ｉｈ ｖ ｒｏ ｓ ｈ ｓ ｎ ｉｖｔ ｆ ｔ ｉ ｔ ｌ ａ ａ ｎ ｇ ｔ ｈ ｍｏ ｓ ｂｅ ｌ ｓ ｒｎ ｒｓ ｌＣｏ ａ ｅ ｗｉ ｔｅ ｍｐ ｏ ｅ ｉ ｙ ｈ ｉ ｅ ａ ｒ ｔ ｌ ｃｕ ｔ ｉ ｇ ｅｕｔ ｍｐ ｄ ｅ ． ｒ ｈ ｔ ｈ ｉ ｒｖ ｄ
太原理工大学 计算机科学 与技 术学院 ， 原 ００２ 太 ３０４
Ｃｏｌｇ ｆ Ｃｏ ｕｅ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ａｙ ａ ｉｅｓｔ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｔ ｉｕ ３ ０ ４， ｈ ｎ ｌ ｅ ｏ ｍｐ ｔｒ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｔ ｉｕ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ａｙ ａ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ ｅ ｙ ｎ
结果 ， 易过 早地收敛于 局部最优解 。针对 ｋ 且容 均值算 法存在
假定将 每个 数据样本看作 图 中的顶点 根 据样本间 的相 似度将 顶点间的边 Ｅ 赋权重值 ， 就得到一个基于样本相 这样 似度 的无 向加权 图 Ｇ （ ， ）于 是在图 Ｇ中， 可将聚类 问题 ＝ ＶＥ ， 就 转化为图Ｇ的划分问题 ， Ｇ 图 的相似矩阵如图 １ 所示。基于图 论的最优划分准则就是使划分成的两个子图内部相似度最 大， 子图之间的相似度最小 。 由于图划分 问题的本质 ， 图划分的最优 解是一个 Ｎ 难 求 Ｐ 问题 。一个 好 的求解 方法是 考虑 问题 的连续 放松形 式 ， 这样
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谱 图聚 类 算 法 研 究 进 展
李建元 周脚根 关佶红 周水庚 ， ， ，
（． １ 同济 大 学 计 算机 科 学与技 术 系， 海 ２ １０ ；２ 上 海 市农 业科 学 院 数 字农 业 与工 程技 术研 究 中心 ， 海 上 ０８４ ． 上
２ １０ ； ． ０ １６ ３ 复旦 大学 上 海市智能信 息处理 重点 实验 室 ， 海 ２０ ３ ） 上 ０ ４ ３
ｉ ｖ ｓ ｇ ｔ ｄ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｉ ｎ ｅｆ ｒ ｔ ｌ ａ ｌ ｅ ｅ ｌ ｈ ｓ ｅ ｃ ｆｔ ｅ ｅ ａｇ ｒ ｈ ． Ｆ ｒ ｅ ｍｏ ｅ ｈ ｃ ｓ ｓ ｎ ｅ ｔ ａｅ ｎ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ｆ ｔ ｏ ｃｅ ｒ ｒ ｖ ａ ｅ ｅ ｓ ｎ ｅ ｏ ｓ ｌ ｏ ｔ ｍｓ ｕ ｈ ｒ ｒ ，ｔ ｅｆ ｕ ｉ ｏ ｙ ｔ ｈ ｉ ｔ ｏ ｗａ
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第 ６卷第 ５期
２１ 年 １ ０１ ０月
智
能
系
统
学 报
Ｖ０ ＿ ｏ． ｌ６ Ｎ ５ Ｏｃ ． ０１ ｔ２ １
Ｃ ＡＭ ｒｎ ａ ｔ ｎ ｎ Ｉ ｔｌ ｇ ｎ ｙ ｔｍｓ Ｔ ａ ｓ ｃ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅｌ ｅ ｔＳ ｓｅ ｏ ｉ
ｄｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １７ －７ ５ ２ １ ．５ ０ ４ ｏ：０ ３ ６ ／． ｓ．６ ３ ８ ．０ １０ ．０ ｓ ４
摘
要： １ 近 ０多年来 ， 于谱 图聚类 的研究成果 非常丰富 ， 了总结和理清这些工作之 间的脉络关 系， 关 为 揭示 最新 的研
究趋 势 ， 回顾和 比较 了典型 的图割 目标 函数 ， 以及 这些 目标 函数 的谱宽 松解决 方法 ， 总结 了谱 聚类算 法 的本 质． 另 外， 讨论 了谱 图聚类 的几个关键 问题 ： 相似图 的构 建方法 、 杂性与 扩充性 、 复 簇数估 计 、 半监督谱 学习等 ． 最后 ， 展望
ｉ ｒ ｕｔ ｒ ｎ Ａｇｉ ｌ ｅ，Ｓ ａ ｇ ａ ａ ｅ ｆＡ ｒｃ ｌ ｒ ｌＳ ｉｎ ｅ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ６，Ｃ ｉ ａ ． ｈ ｎ ｈ ｉＫｅ ａ ｆＩ ｔｌ ｇ ｎ ｎ ｏ ｍａｉｎ ｃ ｕ ｈ ｎ ｈ ｉＡｃ ｄ ｍｙ ｏ ｇ ｉ ｕｔ ａ ｃｅ ｃ ｓ ｈ ｎ ｈ ｉ １ ０ ｕ ２ １ ｈ ｎ ；３ Ｓ ａ ｇ ａ ｙ Ｌ ｂ ｏ ｅｌ ｅ ｔＩ ｒ ｔ ｎ ｉ ｆ ｏ
了谱 图聚类算 法的主要 研究 趋势 ， 如探寻其理论解 释 ， 构建更贴切 的相似 图， 过学习筛 选特征 ， 通 应用实例化等．
关键词 ： 谱图聚类 ； 图割 目标 函数 ； 谱宽松方法 ； 相似图构建 ； 半监督学 习
中图分类 号 ：Ｐ ０ ． 文献标志码 ： 文 章编 号 ：６３ ７ ５ ２ １ ）５ ０ —０ Ｔ ３ １６ Ａ １７ － ８ （０ １ ｏ ５１ ４