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第三节 k-平均聚类

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这一节讲述最简单也很常用的一种聚类算法——k-平均算法。该算法的流程非常简单,其实就是不停地尝试对集合进行划分,直至找到符合条件的划分方式。可以简单描述如下。

第一步,确定簇的个数k,并为每个簇的中心(称为中心向量)初始化k个种子c1,c2,…,ck。

第二步,将每个元素分配给距离其最近的中心向量,生成k个簇。

第三步,重新计算每个簇的中心,并以计算结果作为每个簇新的中心向量。

第四步,重复上述第二、三步,直至算法收敛(中心不再变化或满足特定的收敛条件)。

其中在第一步,初始化种子有多种方法,一种简单的处理方法是随机地挑选k个元素作为初始化种子。在第四步,如果进一步迭代后,每个簇的中心不再发生变化,自然可以认为算法收敛,但这并不总是可以实现的。另一种判断收敛的方法是使用簇中所有元素与中心的均方差,当均方差小于给定的阈值后即停止迭代。均方差是指簇中每个元素与中心距离的平方和,即

为了更好地理解k-均值聚类的过程,下面通过一个简单的例子进行说明。给定10个平面上的点,通过k-平均算法聚成两类。这10个点的坐标分别是(3,4),(3,6),(3,8),(4,5),(4,7),(5,1),(5,5),(7,3),(7,5),(8,5),在平面上如图5-2所示。

图5-2

因为确定是聚成两类,所以要选取两个点作为初始化的聚类中心。不妨选p1=(3,4)和p2=(7,5),即图中红色的两个点。k-平均算法的第一步就完成了。

接下来进行第二步,计算每个点到初始化种子的距离,并把它归入距离最近的中心所属的簇。计算结果如表5-1所示。

表5-1

第一次迭代完成后的聚类结果如图5-3所示。