数据挖掘-K均值聚类算法的优缺点
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。
数据挖掘中的K_means算法及改进
福建电脑２００６年第１１期数据挖掘中的K-means算法及改进贾磊，丁冠华（武警工程学院研究生队陕西西安７１００８６）【摘要】：从数据挖掘的基本概念入手，逐步深入分析本质，并且对ｋ－ｍｅａｎｓ进行探讨，对其中的聚类中心的方法进行了改进。
【关键词】：数据挖掘；ｋ－ｍｅａｎｓ算法；聚类中心１．数据挖掘的含义１．１概念：数据挖掘是一个处理过程，它利用一种或多种计算机学习技术，从数据库的数据中自动分析并提取知识。
数据挖掘会话的目的是确定数据的趋势和模式。
它是基于归纳的学习策略，创建的模型是数据的概念概化，概化可表示为树、网络、方程或一组规则的形式。
１．２数据挖掘过程：数据挖掘是一个多步骤过程，包括挖掘数据，分析结果和采取行动，被访问的数据可以存在于一个或多个操作型数据库中、一个数据仓库中或一个平面文件中。
２．Ｋ－ｍｅａｎｓ算法Ｋ－ＭＥＡＮＳ算法是一个简单而有效的统计聚类技术。
其算法如下：⑴选择一个Ｋ值，用以确定簇的总数。
⑵在数据集中任意选择Ｋ个实例，它们是初始的簇中心。
⑶使用简单的欧氏距离将剩余实例赋给距离它们最近的簇中心。
⑷使用每个簇中的实例来计算每个簇新的平均值。
如果新的平均值等于上次迭代的平均值，终止该过程。
否则，用新平均值作为簇中心并并重复步骤３－５。
算法的第一步需要我们做出一个初始判断，即认为数据中应表示多少个簇。
下一步，算法任意选择Ｋ个数据点作为初始簇中心。
然后，每个实例被放置在与它最相似的簇里，相似性右以以多种方式来定义。
不过，最常使用的相似性度量指标是简单欧氏距离。
举例：我们将两个属性命名为ｘ和ｙ将各个实例映射到ｘ－ｙ坐标系中。
这种映射显示在图中。
第１步，我们必须选择一个Ｋ值。
假设我们认为有两个不同的簇。
因此，我们将Ｋ设置为２。
该算法任意选择两个点代表初始簇中心。
假设算法选择实例１作为第１个簇中心，选择实例３作为第２簇中心，下一步就是地剩下的实例进行分类。
根据坐标为（ｘ１，ｙ１）的点Ａ与坐标为（ｘ２，ｙ２）的点Ｂ之间的欧氏距离公式，为演示算法的工作原理，进行以下的计算。
聚类算法：K-Means和DBSCAN的比较
聚类算法：K-Means和DBSCAN的比较聚类是一种无监督学习的方法，它将数据分组成具有相似特征的集合，称为簇(cluster)。
簇分析是统计学、计算机科学、机器学习和数据挖掘等领域中的常用技术之一。
目前，聚类算法已广泛应用于用户行为分析、市场营销、图像处理、生物信息学、搜索引擎、社交网络等领域。
在聚类算法中，K-Means和DBSCAN是两种具有代表性的算法。
本文将从算法原理、优缺点、适用场景等方面对它们进行比较分析。
一、K-Means算法K-Means算法是一种基于距离的聚类算法。
它的基本思想是从数据集中选取k个初始聚类中心，不断迭代，把每个数据点归为距离最近的聚类中心所在的簇。
K-Means算法的优点是计算简单、速度快、可并行计算，适用于处理大规模数据集。
但是K-Means算法的聚类结果受初始聚类中心的影响较大，算法的性能对于簇的形状、大小和分布较为敏感。
算法流程：1.选择k个聚类中心2.对于每个数据点，计算距离最近的聚类中心，将其划分到相应的簇中3.对于每个簇，重新计算该簇的聚类中心4.重复步骤2和步骤3，直到聚类中心不再变化或达到最大迭代次数二、DBSCAN算法DBSCAN算法是一种基于密度的聚类算法。
它的基本思想是将密度高于某一阈值的数据点定义为核心点(Core Points)，将与核心点距离不超过一定距离的数据点归为同一个簇(Cluster)，将距离较远的数据点称为噪声点(Noise)。
DBSCAN算法的优点是可以自动识别任意形状的簇，对初始聚类中心不敏感，适用于处理稠密数据集。
但是DBSCAN算法的聚类结果对于数据点密度分布的敏感度较高，平均时间复杂度较高。
算法流程：1.对于每个数据点，计算其邻域(Neighborhood)内的数据点个数，如果邻域内的数据点个数大于等于密度阈值，则该点为核心点，否则该点为噪声点2.将所有核心点加入到一个簇中，对每个核心点进行扩展，将邻域内的数据点加入到该簇中，直到不能再扩展3.继续处理下一个未被归类的核心点，直到所有核心点都在某个簇中或被标记为噪声点三、K-Means和DBSCAN的比较1.聚类精度K-Means算法适用于簇形状较为规则且大小相似的数据集，但对于不规则形状、大小差异较大的数据集，其聚类效果并不理想。
kmeans聚类使用条件
kmeans聚类使用条件K-Means 聚类是一种常用的聚类算法，通常用于将数据集划分成K 个不相交的簇。
以下是一些使用K-Means 聚类算法的条件和注意事项：1. 数据类型：K-Means 聚类算法通常适用于数值型数据。
如果数据是分类数据或文本数据，可能需要进行预处理，例如将分类数据转换为数值型表示或使用其他适合的聚类方法。
2. 数据量：K-Means 聚类算法对大规模数据集的处理可能会遇到一些限制。
在处理大规模数据时，可能需要使用一些优化技术，如数据的抽样、初始化方法的选择或使用分布式计算框架。
3. 数据标准化：由于K-Means 算法是基于距离度量来进行聚类的，因此在使用之前通常需要对数据进行标准化或归一化处理，以避免由于数据量纲不同导致的聚类结果偏差。
4. 选择合适的K 值：确定合适的聚类数量K 是K-Means 算法的一个关键步骤。
K 值的选择需要根据实际问题和数据的特点进行考虑，可以通过肘部法则、轮廓系数等方法来辅助选择K 值。
5. 初始化中心：K-Means 算法的性能在很大程度上依赖于初始中心的选择。
选择合适的初始化中心可以改善算法的收敛速度和聚类结果的质量。
常见的初始化方法包括随机选择初始中心、K 均值初始化、K 中值初始化等。
6. 迭代次数：K-Means 算法通过迭代来更新簇中心和分配样本到不同的簇。
通常需要设置一个合适的迭代次数或停止条件，以确保算法收敛或达到满意的聚类效果。
7. 异常值处理：K-Means 算法对异常值比较敏感，异常值可能会对聚类结果产生较大的影响。
在实际应用中，可以考虑对异常值进行预处理或使用其他更适合处理异常值的聚类算法。
8. 可扩展性：K-Means 算法在处理高维数据时可能会遇到可扩展性问题。
在高维数据中，距离度量可能会变得稀疏，导致算法的性能下降。
可以尝试使用一些降维技术或其他适用于高维数据的聚类方法。
k均值算法
k均值算法
K均值（K-means）算法属于无监督学习中的聚类算法；聚类是根据样本特征向
量之间的相似度或距离，
将样本数据划分为若干个样本子集，每个子集定义为一个类；相似的样本聚集在相同的类，不相似的样本分散在不同的类。
由上面的定义可知，聚类算法只使用了样本的特征向量x xx，并没有使用样本的标签y yy，故聚类算法属于无监督学习
样本距离
样本距离越小，样本的相似性越大。
K均值聚类使用欧式距离的平方作为样本距离，计算公式如下：
如上所述，先计算向量对应元素的差值，然后取平方，最后求和；这个计算过程还可以表示为：先对两个样本的特征向量作差，然后求二范数的平方。
，1，。
kmeans 聚类算法
kmeans 聚类算法Kmeans聚类算法Kmeans聚类算法是一种基于距离的无监督机器学习算法，它可以将数据集分为多个类别。
Kmeans算法最初由J. MacQueen于1967年提出，而后由S. Lloyd和L. Forgy独立提出。
目前，Kmeans算法已经成为了机器学习领域中最常用的聚类算法之一。
Kmeans算法的基本思想是将数据集划分为k个不同的簇，每个簇具有相似的特征。
簇的数量k是由用户指定的，算法会根据数据集的特征自动将数据集分成k个簇。
Kmeans算法通过迭代的方式来更新每个簇的中心点，以此来不断优化簇的划分。
Kmeans算法的步骤Kmeans算法的步骤可以概括为以下几个步骤：1. 随机选择k个点作为中心点；2. 将每个数据点与离它最近的中心点关联，形成k个簇；3. 对于每个簇，重新计算中心点；4. 重复2-3步骤，直到簇不再变化或达到最大迭代次数。
Kmeans算法的优缺点Kmeans算法的优点包括：1. 算法简单易实现；2. 能够处理大规模数据集；3. 可以处理多维数据。
Kmeans算法的缺点包括：1. 需要用户指定簇的数量；2. 对于不规则形状的簇，效果不佳；3. 对于包含噪声的数据集，效果不佳。
Kmeans算法的应用Kmeans算法在机器学习和数据挖掘中有着广泛的应用。
以下是Kmeans算法的一些应用：1. 图像分割：将图像分为多个不同的区域；2. 文本聚类：将文本数据划分为多个主题；3. 市场分析：将消费者分为不同的群体，以便进行更好的市场分析；4. 生物学研究：将生物数据分为不同的分类。
总结Kmeans聚类算法是一种基于距离的无监督机器学习算法，它可以将数据集分为多个类别。
Kmeans算法的步骤包括随机选择中心点、形成簇、重新计算中心点等。
Kmeans算法的优缺点分别是算法简单易实现、需要用户指定簇的数量、对于不规则形状的簇效果不佳等。
Kmeans算法在图像分割、文本聚类、市场分析和生物学研究等领域有着广泛的应用。
k-means聚类算法研究及应用
k-means聚类算法研究及应用
K-means聚类算法研究及应用
一、简介
K-means聚类算法是一种非监督学习算法，它是一种广泛应用在模式分类和无监督式学习的数据挖掘技术。
它使用了基于距离的聚类算法，以相似性作为衡量子簇类别的标准，任务是将样本(属性)空间中的数据分为K个不同的类，使聚类的误差平方和最小化：通常假设样本由簇中心所处的子空间所构建，每个子空间由一个簇中心控制，因此K-means算法常常被形象地称为“均值聚类”算法。
二、原理
K-means聚类算法是一种迭代算法，它的基本思想是：首先，随机选取若干个“簇中心”，然后将其他的数据点根据其与“簇中心”的距离，归到最近的“簇中心”所代表的簇中。
然后根据新聚集的簇，重新更新这些“簇中心”；如此不断迭代，最终计算得到一组稳定的“簇中心”，这组“簇中心”所代表的簇就是最后的结果了。
三、应用
1、生物信息学：K-means聚类算法用于基因芯片和定量PCR，以及蛋白质表达数据。
2、计算机视觉：K-means用于图像分割,聚类，像素重新分配等。
3、自然语言处理：K-means用于文本聚类，文档分类，文本挖掘等方面。
4、机器学习：K-means用于各种拟合问题，比如参数估计，探索异常
值等等。
四、总结
K-means聚类算法是一种简单高效的聚类算法，它可以有效地将数据空间分割成几个簇，属于非监督学习算法，它的核心在于划分数据空间，对数据的模式分类和无监督式学习有较好的应用，如生物信息学、计
算机视觉、自然语言处理、机器学习等领域。
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。
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K均值聚类算法的优缺点
J.B.MacQueen 在 1967 年提出的K-means算法[22]到目前为止用于科学和工
业应用的诸多聚类算法中一种极有影响的技术。它是聚类方法中一个基本的划分
方法，常常采用误差平方和准则函数作为聚类准则函数，误差平方和准则函数定
义为：
(3-1)
其中， 是类 中数据对象的均值，即 ，(j=1,2,…，n)， 是K个聚类中心，
分别代表K个类。
K-means算法的工作原理：算法首先随机从数据集中选取 K个点作为初始聚
类中心，然后计算各个样本到聚类中的距离，把样本归到离它最近的那个聚类中
心所在的类。计算新形成的每一个聚类的数据对象的平均值来得到新的聚类中
心，如果相邻两次的聚类中心没有任何变化，说明样本调整结束，聚类准则函数
已经收敛。本算法的一个特点是在每次迭代中都要考察每个样本的分类是否正
确。若不正确，就要调整，在全部样本调整完后，再修改聚类中心，进入下一次
迭代。如果在一次迭代算法中，所有的样本被正确分类，则不会有调整，聚类中
心也不会有任何变化，这标志着 已经收敛，因此算法结束。
算法描述如下：
算法：K-means。划分的 K-means 算法基于类中对象的平均值。
输入：类的数目K和包含N个对象的数据库。
方法：
① 对于数据对象集，任意选取K个对象作为初始的类中心；
② 根据类中对象的平均值，将每个对象重新赋给最相似的类；
③ 更新类的平均值，即计算每个类中对象的平均值；
④ Repeat ②③；
⑤ 直到不再发生变化。
其中，初始聚类中心的选择对聚类结果的影响是很大的，如图3.1，图a是
三个类的实际分布，图b是选取了好的初始聚类中心（+字标记的数据对象）得
到的结果。图c是选取不好的初始聚类中心得到的结果，从中可以看到，选择初
始聚类中心是很关键的。
a b c
图3.1基于K-means算法的一组对象的聚类
算法的数据描述为：把n个向量 (j=1,2,…，n)分成c个类 ( i=1,2,…，
c) ，并求每类的聚类中心，使得非相似性（或距离）指标的目标函数达到最小。
当选择第i类 中向量 与相应聚类中心 间的度量为欧几里德距离时，目标函数
可以定义为：
(3-2)
其中 是类 的目标函数。J值依赖于 的几何形状和 的位置。可以看出J是
样本和聚类中心的函数，样本集 X 给定的情况下J的值取决于K个聚类中心。J
描述 n 个样本聚类成K个类时所产生的总的误差平方和。显然，若J值越大，
说明误差越大，聚类结果越不好。因此，应该寻求使J最小的聚类结果，即在误
差平方和准则下的最优结果。这种聚类通常也称为最小方差划分。
3.1.3 K均值聚类存在的问题
K-means 算法的特点——采用两阶段反复循环过程算法，结束的条件是不再
有数据元素被重新分配：
① 指定聚类，即指定数据 到某一个聚类，使得它与这个聚类中心的距离比
它到其它聚类中心的距离要近。
② 修改聚类中心。
优点：本算法确定的K 个划分到达平方误差最小。当聚类是密集的，且类与
类之间区别明显时，效果较好。对于处理大数据集，这个算法是相对可伸缩和高
效的，计算的复杂度为O(NKt)，其中N是数据对象的数目，t是迭代的次数。一
般来说，K<
① 在 K-means 算法中 K 是事先给定的，这个 K 值的选定是非常难以估计
的。很多时候，事先并不知道给定的数据集应该分成多少个类别才最合适。这也
是 K-means 算法的一个不足。有的算法是通过类的自动合并和分裂，得到较为
合理的类型数目 K，例如 ISODATA 算法。关于 K-means 算法中聚类数目K 值
的确定在文献[23]中，是根据方差分析理论，应用混合 F 统计量来确定最佳分类
数，并应用了模糊划分熵来验证最佳分类数的正确性。在文献[24]中，使用了一种
结合全协方差矩阵的 RPCL 算法，并逐步删除那些只包含少量训练数据的类。而
文献[25]中使用的是一种称为次胜者受罚的竞争学习规则，来自动决定类的适当数
目。它的思想是：对每个输入而言，不仅竞争获胜单元的权值被修正以适应输入
值，而且对次胜单元采用惩罚的方法使之远离输入值。
② 在 K-means 算法中，首先需要根据初始聚类中心来确定一个初始划分，
然后对初始划分进行优化。这个初始聚类中心的选择对聚类结果有较大的影响
[26-29]
，一旦初始值选择的不好，可能无法得到有效的聚类结果，这也成为 K-means
算法的一个主要问题。对于该问题的解决，许多算法采用遗传算法（GA），例如
文献 中采用遗传算法（GA）进行初始化，以内部聚类准则作为评价[30]指标。
③ 从 K-means 算法框架可以看出，该算法需要不断地进行样本分类调整，
不断地计算调整后的新的聚类中心，因此当数据量非常大时，算法的时间开销是
非常大的。所以需要对算法的时间复杂度进行分析、改进，提高算法应用范围。
在文献[31,32]中从该算法的时间复杂度进行分析考虑，通过一定的相似性准则来去
掉聚类中心的侯选集。而在文献[33]中，使用的 K-means 算法是对样本数据进行
聚类，无论是初始点的选择还是一次迭代完成时对数据的调整，都是建立在随机
选取的样本数据的基础之上，这样可以提高算法的收敛速度。