聚类分析算法解析
聚类分析方法
聚类分析方法聚类分析是一种常见的数据分析方法，它可以帮助我们将数据集中的对象按照它们的相似性分成不同的组，从而更好地理解数据的结构和特征。
在实际应用中，聚类分析方法被广泛应用于市场分割、社交网络分析、生物信息学、图像处理等领域。
本文将介绍几种常见的聚类分析方法，包括K均值聚类、层次聚类和密度聚类，并对它们的原理和应用进行简要阐述。
K均值聚类是一种基于距离的聚类方法，它将数据集分成K个簇，每个簇包含距离最近的K个中心点。
K均值聚类的原理是通过迭代计算每个样本点到中心点的距离，然后将样本点分配到距离最近的中心点所在的簇中。
这个过程一直迭代进行，直到簇的分配不再改变为止。
K均值聚类的优点是简单易懂，计算速度快，但是它对初始中心点的选择敏感，容易陷入局部最优解。
层次聚类是一种基于树形结构的聚类方法，它通过不断地将最相似的样本点或簇合并在一起，从而构建出一个层次化的聚类结构。
层次聚类可以分为凝聚型和分裂型两种方法。
凝聚型层次聚类是从下往上构建聚类结构，它首先将每个样本点看作一个独立的簇，然后根据它们的相似性逐步合并成更大的簇，直到所有样本点合并成一个簇为止。
分裂型层次聚类则是从上往下构建聚类结构，它首先将所有样本点看作一个簇，然后根据它们的差异逐步分裂成更小的簇，直到每个样本点都成为一个簇为止。
层次聚类的优点是不需要预先确定簇的个数，但是它的计算复杂度较高，不适合处理大规模数据集。
密度聚类是一种基于样本点密度的聚类方法，它将高密度的样本点划分为一个簇，并且可以发现任意形状的簇。
密度聚类的核心思想是通过计算每个样本点周围的密度来确定核心点，然后将核心点连接在一起形成簇。
密度聚类的优点是对噪声和离群点具有较好的鲁棒性，但是它对参数的选择比较敏感，需要合适的密度阈值来确定核心点。
总的来说，聚类分析方法是一种强大的数据分析工具，它可以帮助我们发现数据中的潜在结构和规律。
不同的聚类方法适用于不同类型的数据和应用场景，选择合适的聚类方法需要根据具体问题的特点来进行。
聚类分析方法概述及应用
聚类分析方法概述及应用聚类分析是一种常用的数据分析方法，用于将相似的数据点聚集在一起，形成有意义的群组。
它可以帮助我们理解数据的内在结构和模式，揭示隐藏在数据背后的信息。
本文将对聚类分析方法进行概述，并探讨其在不同领域的应用。
一、聚类分析方法概述聚类分析方法有多种类型，其中最常用的是原型聚类、层次聚类和密度聚类。
1. 原型聚类原型聚类是一种利用原型向量（即代表一个簇的中心点）来表示和分类数据的方法。
最常见的原型聚类算法是K均值聚类，它通过迭代过程将数据分成K个簇。
2. 层次聚类层次聚类是一种基于树状结构的聚类方法，它将数据点逐步合并为越来越大的簇，直到所有数据点都合并为一个簇。
层次聚类可以分为凝聚型和分裂型两种。
3. 密度聚类密度聚类是一种基于数据点之间密度的聚类方法。
它通过计算每个数据点周围的密度，将密度较高的数据点归为一类，从而形成簇。
DBSCAN是最常用的密度聚类算法之一。
二、聚类分析的应用聚类分析方法在各个领域都有广泛的应用，以下是其中几个典型的应用示例：1. 市场细分聚类分析可帮助企业将潜在消费者细分为不同的市场群体，根据不同群体的需求进行针对性的市场推广。
例如，一家保险公司可以利用聚类分析将客户分为不同的风险类别，制定相应的保险套餐。
2. 医学研究在医学领域，聚类分析可用于帮助识别患者的疾病风险、预测疾病进展、选择最佳治疗方案等。
通过分析患者的基因数据、病历记录和临床表现等信息，医生可以将患者分为不同的疾病类型，为个体化治疗提供指导。
3. 社交网络分析社交网络中存在着庞大的用户群体和复杂的网络关系。
聚类分析可以帮助我们理解社交网络中的用户群体结构，发现潜在的兴趣群体和社区，并为个性化推荐、社交媒体营销等提供支持。
4. 图像分析聚类分析可以应用于图像分析领域，如图像压缩、图像分类等。
通过对图像中的像素点进行聚类，可以将相似的像素点合并为一个簇，从而实现图像的压缩和分类。
5. 网络安全对于网络安全领域来说，聚类分析可以帮助识别异常网络流量、发现潜在的攻击者并采取相应的安全防护措施。
聚类分析原理
聚类分析原理
聚类分析是一种无监督学习算法，它将数据集中的对象分
成相似的组或簇。
其原理基于以下几个关键步骤：
1. 选择合适的相似性度量：聚类算法需要定义一个衡量对
象之间相似性的度量方式。
常用的度量方法包括欧氏距离、曼哈顿距离、余弦相似度等。
2. 初始化聚类中心：聚类算法通常需要提前指定簇的数量K。
然后可以随机选取K个样本作为初始的聚类中心，或者通过某种启发式方法选择初始聚类中心。
3. 分配样本到簇：将每个样本分配到最接近的聚类中心所
属的簇。
这个过程可以通过计算每个样本与每个聚类中心
之间的距离，并选择距离最小的聚类中心来完成。
4. 更新聚类中心：根据当前簇中的样本重新计算聚类中心
的位置，通常是取簇内所有样本的均值作为新的聚类中心。
5. 重复步骤3和步骤4，直到簇的分配结果不再变化或达
到预定的停止条件。
6. 输出最终的聚类结果。
聚类分析的目标是在不知道样本的真实标签的情况下，将
样本聚类成相似的组。
它可以帮助发现数据的内在结构，
识别相似的样本和异常值，以及进行数据压缩和预处理等
任务。
聚类算法的优缺点分析
聚类算法的优缺点分析
一、聚类算法的定义
聚类算法是一种数据挖掘技术，它可以根据数据的相似性将数据分成不同的组。
聚类算法常用于市场分析、生物信息学、搜索引擎优化等领域，研究聚类算法的优缺点有助于更好地理解和应用这一技术。
二、优点分析
1. 数据解释性强：聚类算法可以将数据按照相似性进行分组，这有助于对数据进行解释和理解。
2. 发现隐藏模式：聚类算法可以帮助用户发现数据中的隐藏模式和规律，为决策提供支持。
3. 无监督学习：聚类算法是一种无监督学习方法，不需要预先标记的训练数据，适用于大多数数据挖掘场景。
4. 数据预处理：聚类算法可以用于数据预处理，帮助用户减少数据维度，提高数据处理效率。
三、缺点分析
1. 需要选择合适的距离度量：聚类算法的效果与距离度量的选择有关，不同的距离度量会导致不同的聚类结果。
2. 对初始值敏感：聚类算法对初始值敏感，初始值的选择会影响最终的聚类结果，需要谨慎选择。
3. 处理噪声和异常值困难：聚类算法对噪声和异常值比较敏感，这会影响聚类结果的准确性。
4. 难以处理大规模数据：一些聚类算法在处理大规模数据时效率较低，需要耗费大量的计算资源和时间。
四、结论
聚类算法是一种强大的数据挖掘技术，它可以帮助用户发现数据中的隐藏规律和模式，对于无监督学习和数据预处理都有很好的应用前景。
然而，聚类算法也存在一些缺点，比如对初始值敏感、处理噪声和异常值困难等问题，需要在实际应用中充分考虑。
在未来的研究中，可以进一步探讨聚类算法的改进和优化，以提高其在实际应用中的效率和准确性。
聚类分析的基本概念与方法
聚类分析的基本概念与方法聚类分析（Cluster Analysis）是一种将数据分组或分类的统计学方法，通过将相似的对象归为同一组，使得组内的对象之间更加相似，而不同组之间的对象则差异较大。
它是数据挖掘和机器学习领域中常用的技术之一，被广泛应用于市场分析、生物信息学、图像处理等领域。
一、聚类分析的基本概念聚类分析基于相似性的概念，即认为具有相似特征的对象更有可能属于同一类别。
在聚类分析中，每个对象都被视为一个数据点，而聚类则是将这些数据点分组。
基本概念包括以下几点：1. 数据点：数据集中的每个样本或对象都被看作是一个数据点，它具有多个特征或属性。
2. 相似性度量：聚类分析的关键是如何计算数据点之间的相似性或距离。
常用的相似性度量包括欧氏距离、曼哈顿距离、闵可夫斯基距离等。
3. 簇/类别：将相似的数据点归为一组，这个组被称为簇或类别。
簇内的数据点相似度较高，而不同簇之间的数据点相似度较低。
4. 聚类算法：聚类分析依赖于具体的算法来实现数据点的分组。
常见的聚类算法有K均值聚类、层次聚类、密度聚类等。
二、聚类分析的方法1. K均值聚类（K-means Clustering）：K均值聚类是一种迭代的聚类方法，它将数据点分成K个簇，每个簇代表一个样本集。
算法的基本思想是通过最小化簇内数据点与簇中心之间的平方误差来确定最优的簇中心位置。
2. 层次聚类（Hierarchical Clustering）：层次聚类是一种基于树状结构的聚类算法，它根据数据点之间的相似性逐步合并或分割簇。
层次聚类分为凝聚型和分裂型两种方法，其中凝聚型方法从单个数据点开始，逐步合并最相似的簇；分裂型方法从所有数据点开始，逐步分割最不相似的簇。
3. 密度聚类（Density-Based Clustering）：密度聚类基于密度可达的概念，将具有足够高密度的数据点归为一簇。
核心思想是在数据空间中通过密度连通性来确定簇的边界，相对于K均值聚类和层次聚类，密度聚类能够有效处理不规则形状和噪声数据。
空间聚类分析概念与算法
空间聚类分析概念与算法空间聚类算法的目标是使得同一群组内的数据点之间距离尽可能小，而不同群组之间的距离尽可能大。
通过这种方式，可以更好地理解和分析数据，并从数据中获取有关其内在结构的信息。
下面介绍几种常见的空间聚类算法：1. K-means算法：K-means是一种基于距离的空间聚类算法。
它将数据点划分到K个聚类中心，然后根据数据点和聚类中心之间的距离重新计算聚类中心，直到达到收敛。
K-means算法简单且易于实现，但对于非球形分布的数据效果可能不佳。
2.DBSCAN算法：DBSCAN是一种基于密度的空间聚类算法。
它将数据点划分为核心点、边界点和噪声点。
核心点是在一个给定半径内具有足够数量的邻居点的点，边界点是在一个给定半径内具有较少数量的邻居点的点，噪声点是不满足任何条件的点。
DBSCAN算法不需要预先指定聚类的数量，且对于非球形分布的数据效果较好。
3.层次聚类算法：层次聚类是一种通过构建聚类层次结构的方法。
它可以通过自上而下或自下而上两种方式进行聚类。
自上而下的方法将所有数据点划分为一个大的聚类，然后逐步细分为较小的聚类，直到满足一定的聚类准则。
自下而上的方法则从单个数据点开始，逐步合并相似的数据点，直到形成一个大的聚类。
层次聚类算法适用于数据点数量较小且聚类结构具有层次性的情况。
4. 高斯混合模型（Gaussian Mixture Model，GMM）算法：GMM是一种统计模型，用于描述数据点的分布。
它假设数据点是由多个高斯分布组成的混合模型。
GMM算法通过估计高斯分布的参数来确定数据点所属的聚类。
GMM算法适用于特征呈现高斯分布的数据。
总结起来，空间聚类分析是一种重要的数据挖掘技术，通过计算数据点之间的相似度将它们分组。
K-means、DBSCAN、层次聚类和GMM都是常见的空间聚类算法。
根据不同的数据分布和应用场景，我们可以选择合适的算法来进行分析和挖掘。
数据聚类分析方法
数据聚类分析方法
数据聚类分析方法是一种将数据分组或分类的技术。
聚类分析的目标是将相似的数据聚集在一起，同时将不相似的数据分开。
以下是常见的数据聚类分析方法：
1. K-means聚类算法：K-means算法是一种迭代的聚类算法。
它将数据集分为预先指定的K个簇，其中每个数据点属于距离该数据点最近的簇。
该算法通过不断迭代更新簇的中心来优化聚类结果。
2. 层次聚类算法：层次聚类算法通过以下两种方法进行聚类分析：聚合和分裂。
聚合方法将每个数据点作为一个单独的簇，并逐渐将相似的簇合并在一起。
分裂方法则是从一个包含所有数据点的簇开始，并逐渐将不相似的数据点分离开来。
3. 密度聚类算法：密度聚类算法将数据点密度作为聚类的基础。
该算法通过确定数据点周围的密度来划分不同的簇。
常见的密度聚类算法有DBSCAN和OPTICS。
4. 基于网格的聚类算法：基于网格的聚类算法将数据空间划分为网格，并将数据点分配到各个网格中。
该算法通常适用于高维数据集，可以减少计算复杂度。
5. 谱聚类算法：谱聚类算法将数据点表示为一个图的拉普拉斯矩阵，并通过谱分解将数据点分配到不同的簇中。
该算法通常用于非线性可分的数据集。
需要根据具体的数据集和分析目标来选择适合的数据聚类分析方法。
聚类分析解析课件
类间距的度量
类：一个不严格的定义
定义9.1:距离小于给定阀值的点的集合 类的特征
◦ 重心：均值 ◦ 样本散布阵和协差阵 ◦ 直径
类间距的定义
最短距离法 最长距离法 重心法 类平均法 离差平方和法 等等
最小距离法（single linkage method）
极小异常值在实际中不多出现，避免极 大值的影响
类的重心之间的距离
对异常值不敏感，结果更稳定
离差平方和法（sum of squares
method或ward method）
W代表直径，D2=WM－WK－WL
即
DK2L
nL nk nM
XK XL XK XL
Cluster K
Cluster M
Cluster L
◦ 对异常值很敏感；对较大的类倾向产生较大的距 离，从而不易合并，较符合实际需要。
如表9.2所示，每个样品有p个指标，共 有n个样品
每个样品就构成p维空间中的一个点
:第i个样品的第k个指标对应的取值
◦ i=1……n; k=1……p
:第i个样品和第j个样品之间的距离
◦ i=1……n; j=1……n
点间距离测量问题
样品间距离与指标间距离 间隔尺度、有序尺度与名义尺度 数学距离与统计距离 相似性与距离：一个硬币的两面
类图上发现相同的类
饮料数据
16种饮料的热量、咖啡因、钠及价格四种变量
SPSS实现
选择Analyze－Classify－Hierarchical Cluster, 然 后 把 calorie （ 热 量 ） 、 caffeine （ 咖 啡
因）、sodium（钠）、price（价格）选入 Variables, 在Cluster选Cases（这是Q型聚类：对观测 值聚类），如果要对变量聚类（R型聚类） 则选Variables, 为 了 画 出 树 状 图 ， 选 Plots ， 再 点 Dendrogram等。 可以在Method中定义点间距离和类间距 离
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聚类分析算法解析一、不相似矩阵计算1.加载数据data(iris)str(iris)分类分析是无指导的分类，所以删除数据中的原分类变量。
iris$Species<-NULL2. 不相似矩阵计算不相似矩阵计算，也就是距离矩阵计算，在R中采用dist()函数，或者cluster包中的daisy()函数。
dist()函数的基本形式是dist(x, method = "euclidean", diag = FALSE, upper = FALSE, p = 2)其中x是数据框（数据集），而方法可以指定为欧式距离"euclidean", 最大距离"maximum", 绝对值距离"manhattan", "canberra", 二进制距离非对称"binary" 和明氏距离"minkowski"。
默认是计算欧式距离，所有的属性必须是相同的类型。
比如都是连续类型，或者都是二值类型。
dd<-dist(iris)str(dd)距离矩阵可以使用as.matrix()函数转化了矩阵的形式，方便显示。
Iris数据共150例样本间距离矩阵为150行列的方阵。
下面显示了1~5号样本间的欧式距离。
dd<-as.matrix(dd)二、用hclust()进行谱系聚类法（层次聚类）1.聚类函数R中自带的聚类函数是hclust()，为谱系聚类法。
基本的函数指令是结果对象 <- hclust（距离对象, method=方法）hclust()可以使用的类间距离计算方法包含离差法"ward"，最短距离法"single"，最大距离法"complete"，平均距离法"average"，"mcquitty"，中位数法 "median" 和重心法"centroid"。
下面采用平均距离法聚类。
hc <- hclust(dist(iris), method="ave")2.聚类函数的结果聚类结果对象包含很多聚类分析的结果，可以使用数据分量的方法列出相应的计算结果。
str(hc)下面列出了聚类结果对象hc包含的merge和height结果值的前6个。
其行编号表示聚类过程的步骤，X1，X2表示在该步合并的两类，该编号为负代表原始的样本序号，编号为正代表新合成的类；变量height表示合并时两类类间距离。
比如第1步，合并的是样本102和143，其样本间距离是0.0，合并后的类则使用该步的步数编号代表，即样本-102和-143合并为1类。
再如第6行表示样本11和49合并，该两个样本的类间距离是0.1，合并后的类称为6类。
head (hc$merge,hc$height)下面显示的聚类结果对象hc包含的merge和height结果值的50~55步的结果。
第50步结果表明样本43与13类（即第13步的聚类合类结果）合并。
所有的类编号负数j表示原数据的样本编号，正数i表示聚类过程的第i步形成的新类。
再如54步，表示聚类过程第7步和第37步形成的类合并为新类，新类成为第54类，其类间距离是0.2641715。
data.frame(hc$merge,hc$height)[50:55]3.绘制聚类图聚类完成后可以使用plot()绘制出聚类的树图。
plot(hc, hang = -1, labels=iris$Species)4.指定分类和类中心聚类通过观察树形图，可见由于数据例很多，使图形很乱，不容易确定合理的分类，为简化图形，使用cutree()来确定最初的分类结果，先初步确定各个样本的最初分类的类数后，然后用hclust()再次聚类，重新聚类后，得出最后的分类结果。
memb <- cutree(hc, k = 10) #确定10个分类table(memb) #各类中的样本数为了进行重新聚类，需要计算各类的类中心的类中心，这里用各类的均向量来代表各类的类中心，计算程序如下。
cent <- NULLfor(k in 1:10){cent <- rbind(cent, colMeans(irisSample[memb == k, , drop = FALSE]))}有了各类的类中心后，再次使用hclust()函数，从10类起重新开始聚类。
hclust()函数这时需要指定各类的类中心，并采用中心法来聚类。
hc1 <- hclust(dist(cent), method = "centroid", members = table(memb))plot(hc1)hc1再次聚类的树形图就很精简了。
从树形图上看，确定为三类是比较合适的。
4.输出最终分类结果使用cutree()来确定输出各个样本的最后分类。
memb <- cutree(hc, k =3 #确定3个分类table(memb) #各类中的样本数下面将聚类结果和原始的分类比较可见聚类结果是不错的。
错误率约为14/150=9.33%。
5.直接数据距离阵聚类可以直接输入距离矩阵，然后用as.dist()函数转为hclust()可以使用的距离阵对象，然后再用hclust()再进行聚类分析。
x<-read.table(text="id BA FI MI VO RM TOBA 0 662 877 255 412 996FI 662 0 295 468 268 400MI 877 295 0 754 564 138VO 255 468 754 0 219 869RM 412 268 564 219 0 669TO 996 400 138 869 669 0 ", header=T) s(x)<-x$idx$id<-NULLx转换为距离阵。
x<-as.dist(x)hc <-hclust(x)显示聚类过程。
data.frame(hc$merge,hc$height)绘制聚类图。
plot(hc2)从聚类图可见聚为两类比较合适。
cutree(hc2,2)所以BA、VO、RM聚为1类而TO、FI、MI聚为另一类。
四、使用cluster包进行聚类分析1.计算距离矩阵除了可以使用dist()函数外，加载了cluster包后还可以使用daisy()函数，该函数可以使用的数据类型更多一些。
当原始数据表中包含的数据是混合型即属性变量既有有连续又有分类的时候，dist()计算就不够完美，而采用daisy()函数就可以毫无问题。
使用daisy()必须加载cluster包。
第一次使用还必须安装。
install.packages(‘cluster’,repos=’htt//192.168.3.225/rpkg)library(cluster)daisy()函数的形式和dist()相似，可以采用的距离包含欧式距离"euclidean", 绝对值距离和"manhattan", "gower"。
dd2<-daisy(iris)dd2<-as.matrix(dd1)2.使用agens()聚类cluster包提供了两种层次聚类的方法，一种是a bottom-up 自底而上，采用先将数据样本先各自看成一类，然后通过合并法的聚类过程，最终形成一个大类，包含全部样本，agnes()函数完成这个功能，这个称为合并层次聚类。
而diana()则采用相反的方法，即 a top-down 自顶而下，先将所有样本看成一类，然后通过分裂类的过程将样品最终分为各自样本类，这个称为分裂法。
agens()函数的形式是agnes(x, diss = TRUE|FALSE, metric = "euclidean", stand = FALSE|TRUE,method = "average", par.method, keep.diss = n < 100, keep.data = !diss) 其中的diss指定x对象是否是不相似矩阵对象，与hclust()函数不同，agnes()既可以使用原始数据也可以采用距离阵。
stand是要求对数据进行标准化，而可以采用的类间距离计算方法有“average”平均法，“UPGMA”，“single”最短距离法，“complete”最大距离法，“ward”离差法，“weighted”权重平均距离法和“flexible”弹性法。
keep.diss和keep.data指定在结果中是否保留不相似矩阵和数据，保留这些结果需要更多的存。
ag <- agnes(iris, diss=F, metric="euclidean", stand=F, method ="single")data.frame(ag$merge,ag$height)[50:55,]plot(ag, ask = FALSE, which.plots = NULL)cutree(ag,k=3)装载数据load'adultuci.rdata')str(AdultUCI)删除原来的目标变量AdultUCI$income<-NULL删除原始据中数据缺失的数据例AdultUCI<-na.omit(AdultUCI)。