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数据挖掘-K均值聚类算法的优缺点

数据挖掘-K均值聚类算法的优缺点
数据挖掘-K均值聚类算法的优缺点

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。

3.1.3K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<

缺点主要有三个:

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。

数据挖掘聚类算法课程设计报告

数据挖掘聚类问题(Plants Data Set)实验报告 1.数据源描述 1.1数据特征 本实验用到的是关于植物信息的数据集,其中包含了每一种植物(种类和科属)以及它们生长的地区。数据集中总共有68个地区,主要分布在美国和加拿大。一条数据(对应于文件中的一行)包含一种植物(或者某一科属)及其在上述68个地区中的分布情况。可以这样理解,该数据集中每一条数据包含两部分内容,如下图所示。 图1 数据格式 例如一条数据:abronia fragrans,az,co,ks,mt,ne,nm,nd,ok,sd,tx,ut,wa,wy。其中abronia fragrans是植物名称(abronia是科属,fragrans是名称),从az一直到wy 是该植物的分布区域,采用缩写形式表示,如az代表的是美国Arizona州。植物名称和分布地区用逗号隔开,各地区之间也用逗号隔开。 1.2任务要求 聚类。采用聚类算法根据某种特征对所给数据集进行聚类分析,对于聚类形成的簇要使得簇内数据对象之间的差异尽可能小,簇之间的差距尽可能大。 2.数据预处理 2.1数据清理 所给数据集中包含一些对聚类过程无用的冗余数据。数据集中全部数据的组织结构是:先给出某一科属的植物及其所有分布地区,然后给出该科属下的具体植物及其分布地区。例如: ①abelmoschus,ct,dc,fl,hi,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi ②abelmoschus esculentus,ct,dc,fl,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi ③abelmoschus moschatus,hi,pr 上述数据中第①行给出了所有属于abelmoschus这一科属的植物的分布地区,接下来的②③两行分别列出了属于abelmoschus科属的两种具体植物及其分布地区。从中可以看出后两行给出的所有地区的并集正是第一行给出的地区集

数据挖掘中的聚类分析方法

计算机工程应用技术本栏目责任编辑:贾薇薇 数据挖掘中的聚类分析方法 黄利文 (泉州师范学院理工学院,福建泉州362000) 摘要:聚类分析是多元统计分析的重要方法之一,该方法在许多领域都有广泛的应用。本文首先对聚类的分类做简要的介绍,然后给出了常用的聚类分析方法的基本思想和优缺点,并对常用的聚类方法作比较分析,以便人们根据实际的问题选择合适的聚类方法。 关键词:聚类分析;数据挖掘 中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2008)12-20564-02 ClusterAnlaysisMethodsofDataMining HUANGLi-wen (SchoolofScience,QuanzhouNormalUniversity,Quanzhou362000,China) Abstract:Clusteranalysisisoneoftheimportantmethodsofmultivariatestatisticalanalysis,andthismethodhasawiderangeofapplica-tionsinmanyfields.Inthispaper,theclassificationoftheclusterisintroducedbriefly,andthengivessomecommonmethodsofclusteranalysisandtheadvantagesanddisadvantagesofthesemethods,andtheseclusteringmethodwerecomparedandanslyzedsothatpeoplecanchosesuitableclusteringmethodsaccordingtotheactualissues. Keywords:ClusterAnalysis;DataMining 1引言 聚类分析是数据挖掘中的重要方法之一,它把一个没有类别标记的样本集按某种准则划分成若干个子类,使相似的样品尽可能归为一类,而不相似的样品尽量划分到不同的类中。目前,该方法已经被广泛地应用于生物、气候学、经济学和遥感等许多领域,其目的在于区别不同事物并认识事物间的相似性。因此,聚类分析的研究具有重要的意义。 本文主要介绍常用的一些聚类方法,并从聚类的可伸缩性、类的形状识别、抗“噪声”能力、处理高维能力和算法效率五个方面对其进行比较分析,以便人们根据实际的问题选择合适的聚类方法。 2聚类的分类 聚类分析给人们提供了丰富多彩的分类方法,这些方法大致可归纳为以下几种[1,2,3,4]:划分方法、层次方法、基于密度的聚类方法、基于网格的聚类方法和基于模型的聚类方法。 2.1划分法(partitiongingmethods) 给定一个含有n个对象(或元组)的数据库,采用一个划分方法构建数据的k个划分,每个划分表示一个聚簇,且k≤n。在聚类的过程中,需预先给定划分的数目k,并初始化k个划分,然后采用迭代的方法进行改进划分,使得在同一类中的对象之间尽可能地相似,而不同类的中的对象之间尽可能地相异。这种聚类方法适用于中小数据集,对大规模的数据集进行聚类时需要作进一步的改进。 2.2层次法(hietarchicalmethods) 层次法对给定数据对象集合按层次进行分解,分解的结果形成一颗以数据子集为节点的聚类树,它表明类与类之间的相互关系。根据层次分解是自低向上还是自顶向下,可分为凝聚聚类法和分解聚类法:凝聚聚类法的主要思想是将每个对象作为一个单独的一个类,然后相继地合并相近的对象和类,直到所有的类合并为一个,或者符合预先给定的终止条件;分裂聚类法的主要思想是将所有的对象置于一个簇中,在迭代的每一步中,一个簇被分裂为更小的簇,直到最终每个对象在单独的一个簇中,或者符合预先给定的终止条件。在层次聚类法中,当数据对象集很大,且划分的类别数较少时,其速度较快,但是,该方法常常有这样的缺点:一个步骤(合并或分裂)完成,它就不能被取消,也就是说,开始错分的对象,以后无法再改变,从而使错分的对象不断增加,影响聚类的精度,此外,其抗“噪声”的能力也较弱,但是若把层次聚类和其他的聚类技术集成,形成多阶段聚类,聚类的效果有很大的提高。2.3基于密度的方法(density-basedmethods) 该方法的主要思想是只要临近区域的密度(对象或数据点的数目)超过某个阈值,就继续聚类。也就是说,对于给定的每个数据点,在一个给定范围的区域中必须至少包含某个数目的点。这样的方法就可以用来滤处"噪声"孤立点数据,发现任意形状的簇。2.4基于网格的方法(grid-basedmethods) 这种方法是把对象空间量化为有限数目的单元,形成一个网格结构。所有的聚类操作都在这个网格结构上进行。用这种方法进行聚类处理速度很快,其处理时间独立于数据对象的数目,只与量化空间中每一维的单元数目有关。 2.5基于模型的方法(model-basedmethod) 基于模型的方法为每个簇假定一个模型,寻找数据对给定模型的最佳拟合。该方法经常基于这样的假设:数据是根据潜在的概 收稿日期:2008-02-17 作者简介:黄利文(1979-),男,助教。

聚类分析算法解析.doc

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<-NULL 2. 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)

数据挖掘算法综述

数据挖掘方法综述 [摘要]数据挖掘(DM,DataMining)又被称为数据库知识发现(KDD,Knowledge Discovery in Databases),它的主要挖掘方法有分类、聚类、关联规则挖掘和序列模式挖掘等。 [关键词]数据挖掘分类聚类关联规则序列模式 1、数据挖掘的基本概念 数据挖掘从技术上说是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在的有用的信息和知识的过程。这个定义包括好几层含义: 数据源必须是真实的、大量的、含噪声的、发现的是用户感兴趣的知识, 发现的知识要可接受、可理解、可运用, 并不要求发现放之四海皆准的知识, 仅支持特定的发现问题, 数据挖掘技术能从中自动分析数据进行归纳性推理从中发掘出潜在的数据模式或进行预测, 建立新的业务模型帮助决策者调整策略做出正确的决策。数据挖掘是是运用统计学、人工智能、机器学习、数据库技术等方法发现数据的模型和结构、发现有价值的关系或知识的一门交叉学科。数据挖掘的主要方法有分类、聚类和关联规则挖掘等 2、分类 分类(Classification)又称监督学习(Supervised Learning)。监

督学习的定义是:给出一个数据集D,监督学习的目标是产生一个联系属性值集合A和类标(一个类属性值称为一个类标)集合C的分类/预测函数,这个函数可以用于预测新的属性集合(数据实例)的类标。这个函数就被称为分类模型(Classification Model),或者是分类器(Classifier)。分类的主要算法有:决策树算法、规则推理、朴素贝叶斯分类、支持向量机等算法。 决策树算法的核心是Divide-and-Conquer的策略,即采用自顶向下的递归方式构造决策树。在每一步中,决策树评估所有的属性然后选择一个属性把数据分为m个不相交的子集,其中m是被选中的属性的不同值的数目。一棵决策树可以被转化成一个规则集,规则集用来分类。 规则推理算法则直接产生规则集合,规则推理算法的核心是Separate-and-Conquer的策略,它评估所有的属性-值对(条件),然后选择一个。因此,在一步中,Divide-and-Conquer策略产生m条规则,而Separate-and-Conquer策略只产生1条规则,效率比决策树要高得多,但就基本的思想而言,两者是相同的。 朴素贝叶斯分类的基本思想是:分类的任务可以被看作是给定一个测试样例d后估计它的后验概率,即Pr(C=c j︱d),然后我们考察哪个类c j对应概率最大,便将那个类别赋予样例d。构造朴素贝叶斯分类器所需要的概率值可以经过一次扫描数据得到,所以算法相对训练样本的数量是线性的,效率很高,就分类的准确性而言,尽管算法做出了很强的条件独立假设,但经过实际检验证明,分类的效果还是

数据挖掘分类算法比较

数据挖掘分类算法比较 分类是数据挖掘、机器学习和模式识别中一个重要的研究领域。通过对当前数据挖掘中具有代表性的优秀分类算法进行分析和比较,总结出了各种算法的特性,为使用者选择算法或研究者改进算法提供了依据。 一、决策树(Decision Trees) 决策树的优点: 1、决策树易于理解和解释.人们在通过解释后都有能力去理解决策树所表达的意义。 2、对于决策树,数据的准备往往是简单或者是不必要的.其他的技术往往要求先把数据一般化,比如去掉多余的或者空白的属性。 3、能够同时处理数据型和常规型属性。其他的技术往往要求数据属性的单一。 4、决策树是一个白盒模型。如果给定一个观察的模型,那么根据所产生的决策树很容易推出相应的逻辑表达式。 5、易于通过静态测试来对模型进行评测。表示有可能测量该模型的可信度。 6、在相对短的时间内能够对大型数据源做出可行且效果良好的结果。 7、可以对有许多属性的数据集构造决策树。 8、决策树可很好地扩展到大型数据库中,同时它的大小独立于数据库的大小。 决策树的缺点: 1、对于那些各类别样本数量不一致的数据,在决策树当中,信息增益的结果偏向于那些具有更多数值的特征。 2、决策树处理缺失数据时的困难。 3、过度拟合问题的出现。 4、忽略数据集中属性之间的相关性。 二、人工神经网络 人工神经网络的优点:分类的准确度高,并行分布处理能力强,分布存储及学习能力强,对噪声神经有较强的鲁棒性和容错能力,能充分逼近复杂的非线性关系,具备联想记忆的功能等。 人工神经网络的缺点:神经网络需要大量的参数,如网络拓扑结构、权值和阈值的初始值;不能观察之间的学习过程,输出结果难以解释,会影响到结果的可信度和可接受程度;学习时间过长,甚至可能达不到学习的目的。

K - M e a n s 聚 类 算 法

基于K-means聚类算法的入侵检测系统的设计 基于K-means聚类算法的入侵检测系统的设计 今天给大家讲述的是K-means聚类算法在入侵检测系统中的应用首先,介绍一下 聚类算法 将认识对象进行分类是人类认识世界的一种重要方法,比如有关世界的时间进程的研究,就形成了历史学,有关世界空间地域的研究,则形成了地理学。 又如在生物学中,为了研究生物的演变,需要对生物进行分类,生物学家根据各种生物的特征,将它们归属于不同的界、门、纲、目、科、属、种之中。 事实上,分门别类地对事物进行研究,要远比在一个混杂多变的集合中更清晰、明了和细致,这是因为同一类事物会具有更多的近似特性。 通常,人们可以凭经验和专业知识来实现分类。而聚类分析(cluster analysis)作为一种定量方法,将从数据分析的角度,给出一个更准确、细致的分类工具。 (聚类分析我们说得朴实一点叫做多元统计分析,说得时髦一点叫做数据挖掘算法,因为这个算法可以在一堆数据中获取很有用的信息,这就不就是数据挖掘吗,所以大家平时也不要被那些高大上的名词给吓到了,它背后的核心原理大多数我们都是可以略懂一二的,再

比如说现在AI这么火,如果大家还有印象的话,以前我们在大二上学习概率论的时候,我也和大家分享过自然语言处理的数学原理,就是如何让机器人理解我们人类的自然语言,比如说,苹果手机上的Siri系统,当时还让杨帆同学帮我在黑板上写了三句话,其实就是贝叶斯公式+隐含马尔可夫链。估计大家不记得了,扯得有点远了接下来还是回归我们的正题,今天要讨论的聚类算法。) K-Means是常用的聚类算法,与其他聚类算法相比,其时间复杂度低,结果稳定,聚类的效果也还不错, 相异度计算 在正式讨论聚类前,我们要先弄清楚一个问题:如何定量计算两个可比较元素间的相异度。用通俗的话说,相异度就是两个东西差别有多大,例如人类与章鱼的相异度明显大于人类与黑猩猩的相异度,这是能我们直观感受到的。但是,计算机没有这种直观感受能力,我们必须对相异度在数学上进行定量定义。 要用数量化的方法对事物进行分类,就必须用数量化的方法描述事物之间的相似程度。一个事物常常需要用多个特征变量来刻画,就比如说我们举一个例证,就有一项比较神奇的技术叫面部识别技术,其实听起来很高大上,它是如何做到的,提取一个人的面部特征,比如说嘴巴的长度,鼻梁的高度,眼睛中心到鼻子的距离,鼻子到嘴巴的距离,这些指标对应得数值可以组成一个向量作为每一个个体的一个标度变量(),或者说叫做每一个人的一个特征向量。 如果对于一群有待分类的样本点需用p 个特征变量值描述,则每

各种聚类算法及改进算法的研究

论文关键词:数据挖掘;聚类算法;聚类分析论文摘要:该文详细阐述了数据挖掘领域的常用聚类算法及改进算法,并比较分析了其优缺点,提出了数据挖掘对聚类的典型要求,指出各自的特点,以便于人们更快、更容易地选择一种聚类算法解决特定问题和对聚类算法作进一步的研究。并给出了相应的算法评价标准、改进建议和聚类分析研究的热点、难点。上述工作将为聚类分析和数据挖掘等研究提供有益的参考。 1 引言随着经济社会和科学技术的高速发展,各行各业积累的数据量急剧增长,如何从海量的数据中提取有用的信息成为当务之急。聚类是将数据划分成群组的过程,即把数据对象分成多个类或簇,在同一个簇中的对象之间具有较高的相似度,而不同簇中的对象差别较大。它对未知数据的划分和分析起着非常有效的作用。通过聚类,能够识别密集和稀疏的区域,发现全局的分布模式,以及数据属性之间的相互关系等。为了找到效率高、通用性强的聚类方法人们从不同角度提出了许多种聚类算法,一般可分为基于层次的,基于划分的,基于密度的,基于网格的和基于模型的五大类。 2 数据挖掘对聚类算法的要求(1)可兼容性:要求聚类算法能够适应并处理属性不同类型的数据。(2)可伸缩性:要求聚类算法对大型数据集和小数据集都适用。(3)对用户专业知识要求最小化。(4)对数据类别簇的包容性:即聚类算法不仅能在用基本几何形式表达的数据上运行得很好,还要在以其他更高维度形式表现的数据上同样也能实现。(5)能有效识别并处理数据库的大量数据中普遍包含的异常值,空缺值或错误的不符合现实的数据。(6)聚类结果既要满足特定约束条件,又要具有良好聚类特性,且不丢失数据的真实信息。(7)可读性和可视性:能利用各种属性如颜色等以直观形式向用户显示数据挖掘的结果。(8)处理噪声数据的能力。(9)算法能否与输入顺序无关。 3 各种聚类算法介绍随着人们对数据挖掘的深入研究和了解,各种聚类算法的改进算法也相继提出,很多新算法在前人提出的算法中做了某些方面的提高和改进,且很多算法是有针对性地为特定的领域而设计。某些算法可能对某类数据在可行性、效率、精度或简单性上具有一定的优越性,但对其它类型的数据或在其他领域应用中则不一定还有优势。所以,我们必须清楚地了解各种算法的优缺点和应用范围,根据实际问题选择合适的算法。 3.1 基于层次的聚类算法基于层次的聚类算法对给定数据对象进行层次上的分解,可分为凝聚算法和分裂算法。 (1)自底向上的凝聚聚类方法。这种策略是以数据对象作为原子类,然后将这些原子类进行聚合。逐步聚合成越来越大的类,直到满足终止条件。凝聚算法的过程为:在初始时,每一个成员都组成一个单独的簇,在以后的迭代过程中,再把那些相互邻近的簇合并成一个簇,直到所有的成员组成一个簇为止。其时间和空间复杂性均为O(n2)。通过凝聚式的方法将两簇合并后,无法再将其分离到之前的状态。在凝聚聚类时,选择合适的类的个数和画出原始数据的图像很重要。 [!--empirenews.page--] (2)自顶向下分裂聚类方法。与凝聚法相反,该法先将所有对象置于一个簇中,然后逐渐细分为越来越小的簇,直到每个对象自成一簇,或者达到了某个终结条件。其主要思想是将那些成员之间不是非常紧密的簇进行分裂。跟凝聚式方法的方向相反,从一个簇出发,一步一步细化。它的优点在于研究者可以把注意力集中在数据的结构上面。一般情况下不使用分裂型方法,因为在较高的层很难进行正确的拆分。 3.2 基于密度的聚类算法很多算法都使用距离来描述数据之间的相似性,但对于非凸数据集,只用距离来描述是不够的。此时可用密度来取代距离描述相似性,即基于密度的聚类算法。它不是基于各种各样的距离,所以能克服基于距离的算法只能发现“类圆形”的聚类的缺点。其指导思想是:只要一个区域中的点的密度(对象或数据点的数目)大过某个阈值,就把它加到与之相近的聚类中去。该法从数据对象的分布密度出发,把密度足够大的区域连接起来,从而可发现任意形状的簇,并可用来过滤“噪声”数据。常见算法有DBSCAN,DENCLUE 等。[1][2][3]下一页 3.3 基于划分的聚类算法给定一个N个对象的元组或数据库,根据给定要创建的划分的数目k,将数据划分为k个组,每个组表示一个簇类(<=N)时满足如下两点:(1)每个组至少包含一个对象;(2)每个对

数据挖掘算法

数据挖掘的10大经典算法 国际权威的学术组织the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月评选出了数据挖掘领域的十大经典算法:C4.5, k-Means, SVM, Apriori, EM, PageRank, AdaBoost, kNN, Naive Bayes, and CART. 不仅仅是选中的十大算法,其实参加评选的18种算法,实际上随便拿出一种来都可以称得上是经典算法,它们在数据挖掘领域都产生了极为深远的影响。 1. C4.5 C4.5算法是机器学习算法中的一种分类决策树算法,其核心算法是ID3算法. C4.5算法继承了ID3算法的优点,并在以下几方面对ID3算法进行了改进: 1) 用信息增益率来选择属性,克服了用信息增益选择属性时偏向选择取值多的属性的不足; 2) 在树构造过程中进行剪枝; 3) 能够完成对连续属性的离散化处理; 4) 能够对不完整数据进行处理。 C4.5算法有如下优点:产生的分类规则易于理解,准确率较高。其缺点是:在 构造树的过程中,需要对数据集进行多次的顺序扫描和排序,因而导致算法的低效。 2. The k-means algorithm 即K-Means算法 k-means algorithm算法是一个聚类算法,把n的对象根据他们的属性分为k个分割,k < n。它与处理混合正态分布的最大期望算法很相似,因为他们都试图找到数据中自然聚类的中心。它假设对象属性来自于空间向量,并且目标是使各个群组内部的均方误差总和最小。 3. Support vector machines 支持向量机,英文为Support Vector Machine,简称SV机(论文中一般简称SVM)。它是一种監督式學習的方法,它广泛的应用于统计分类以及回归分析中。支持向量机将向量映射到一个更高维的空间里,在这个空间里建立有一个最大间隔超平面。在分开数据的超平面的两边建有两个互相平行的超平面。分隔超平面使两个平行超平面的距离最大化。假定平行超平面间的距离或差距越大,分类器的总误差越小。一个极好的指南是C.J.C Burges的《模式识别支持向量机指南》。van der Walt 和 Barnard 将支持向量机和其他分类器进行了比较。 4. The Apriori algorithm

数据挖掘考试题精编版

数据挖掘考试题 公司内部编号:(GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

数据挖掘考试题 一.选择题 1. 当不知道数据所带标签时,可以使用哪种技术促使带同类标签的数据与带其他标签的数据相分离( ) A.分类 B.聚类 C.关联分析 D.主成分分析 2. ( )将两个簇的邻近度定义为不同簇的所有点对邻近度的平均值,它是一种凝聚层次聚类技术。 A.MIN(单链) B.MAX(全链) C.组平均 D.Ward方法 3.数据挖掘的经典案例“啤酒与尿布试验”最主要是应用了( )数据挖掘方法。 A 分类 B 预测 C关联规则分析 D聚类 4.关于K均值和DBSCAN的比较,以下说法不正确的是( ) A.K均值丢弃被它识别为噪声的对象,而DBSCAN一般聚类所有对象。 B.K均值使用簇的基于原型的概念,DBSCAN使用基于密度的概念。 C.K均值很难处理非球形的簇和不同大小的簇,DBSCAN可以处理不同大小和不同形状的簇 D.K均值可以发现不是明显分离的簇,即便簇有重叠也可以发现,但是DBSCAN 会合并有重叠的簇 5.下列关于Ward’s Method说法错误的是:( ) A.对噪声点和离群点敏感度比较小 B.擅长处理球状的簇

C.对于Ward方法,两个簇的邻近度定义为两个簇合并时导致的平方误差 D.当两个点之间的邻近度取它们之间距离的平方时,Ward方法与组平均非常相似 6.下列关于层次聚类存在的问题说法正确的是:( ) A.具有全局优化目标函数 B.Group Average擅长处理球状的簇 C.可以处理不同大小簇的能力 D.Max对噪声点和离群点很敏感 7.下列关于凝聚层次聚类的说法中,说法错误的事:( ) A.一旦两个簇合并,该操作就不能撤销 B.算法的终止条件是仅剩下一个簇 C.空间复杂度为()2m O D.具有全局优化目标函数 8.规则{牛奶,尿布}→{啤酒}的支持度和置信度分别为:( ) 9.下列( )是属于分裂层次聚类的方法。 A.Min B.Max C.Group Average D.MST 10.对下图数据进行凝聚聚类操作,簇间相似度使用MAX计算,第二步是哪两个簇合并:( ) A.在{3}和{l,2}合并 B.{3}和{4,5}合并 C.{2,3}和{4,5}合并

数据挖掘分类算法介绍

数据挖掘分类算法介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 分类是用于识别什么样的事务属于哪一类的方法,可用于分类的算法有决策树、bayes分类、神经网络、支持向量机等等。 决策树 例1 一个自行车厂商想要通过广告宣传来吸引顾客。他们从各地的超市获得超市会员的信息,计划将广告册和礼品投递给这些会员。 但是投递广告册是需要成本的,不可能投递给所有的超市会员。而这些会员中有的人会响应广告宣传,有的人就算得到广告册不会购买。 所以最好是将广告投递给那些对广告册感兴趣从而购买自行车的会员。分类模型的作用就是识别出什么样的会员可能购买自行车。 自行车厂商首先从所有会员中抽取了1000个会员,向这些会员投递广告册,然后记录这些收到广告册的会员是否购买了自行车。 数据如下:

在分类模型中,每个会员作为一个事例,居民的婚姻状况、性别、年龄等特征作为输入列,所需预测的分类是客户是否购买了自行车。 使用1000个会员事例训练模型后得到的决策树分类如下:

※图中矩形表示一个拆分节点,矩形中文字是拆分条件。 ※矩形颜色深浅代表此节点包含事例的数量,颜色越深包含的事例越多,如全部节点包含所有的1000个事例,颜色最深。经过第一次基于年龄的拆分后,年龄大于67岁的包含36个事例,年龄小于32岁的133个事例,年龄在39和67岁之间的602个事例,年龄32和39岁之间的229个事例。所以第一次拆分后,年龄在39和67岁的节点颜色最深,年龄大于67岁的节点颜色最浅。 ※节点中的条包含两种颜色,红色和蓝色,分别表示此节点中的事例购买和不购买自行车的比例。如节点“年龄>=67”节点中,包含36个事例,其中28个没有购买自行车,8个购买了自行车,所以蓝色的条比红色的要长。表示年龄大于67的会员有74.62%的概率不购买自行车,有23.01%的概率购买自行车。 在图中,可以找出几个有用的节点: 1. 年龄小于32岁,居住在太平洋地区的会员有7 2.75%的概率购买自行车; 2. 年龄在32和39岁之间的会员有68.42%的概率购买自行车; 3. 年龄在39和67岁之间,上班距离不大于10公里,只有1辆汽车的会员有66.08%的概率购买自行车;

大数据常用的算法

大数据常用的算法(分类、回归分析、聚类、关联规则) 在大数据时代,数据挖掘是最关键的工作。大数据的挖掘是从海量、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的大型数据库中发现隐含在其中有价值的、潜在有用的信息和知识的过程,也是一种决策支持过程。其主要基于人工智能,机器学习,模式学习,统计学等。通过对大数据高度自动化地分析,做出归纳性的推理,从中挖掘出潜在的模式,可以帮助企业、商家、用户调整市场政策、减少风险、理性面对市场,并做出正确的决策。目前,在很多领域尤其是在商业领域如银行、电信、电商等,数据挖掘可以解决很多问题,包括市场营销策略制定、背景分析、企业管理危机等。大数据的挖掘常用的方法有分类、回归分析、聚类、关联规则、神经网络方法、Web 数据挖掘等。这些方法从不同的角度对数据进行挖掘。 (1)分类。分类是找出数据库中的一组数据对象的共同特点并按照分类模式将其划分为不同的类,其目的是通过分类模型,将数据库中的数据项映射到摸个给定的类别中。可以应用到涉及到应用分类、趋势预测中,如淘宝商铺将用户在一段时间内的购买情况划分成不同的类,根据情况向用户推荐关联类的商品,从而增加商铺的销售量。 (2)回归分析。回归分析反映了数据库中数据的属性值的特性,通过函数表达数据映射的关系来发现属性值之间的依赖关系。它可以应用到对数据序列的预测及相关关系的研究中去。在市场营销中,回归分析可以被应用到各个方面。如通过对本季度销售的回归分析,对下一季度的销售趋势作出预测并做出针对性的营销改变。 (3)聚类。聚类类似于分类,但与分类的目的不同,是针对数据的相似性和差异性将一组数据分为几个类别。属于同一类别的数据间的相似性很大,但不同类别之间数据的相似性很小,跨类的数据关联性很低。(4)关联规则。关联规则是隐藏在数据项之间的关联或相互关系,即可以根据一个数据项的出现推导出其他数据项的出现。关联规则的挖掘过程主要包括两个阶段:第一阶段为从海量原始数据中找出所有的高频项目组;第二极端为从这些高频项目组产生关联规则。关联规则挖掘技术已经被广泛应用于金融行业企业中用以预测客户的需求,各银行在自己的ATM 机上通过捆绑客户可能感兴趣的信息供用户了解并获取相应信

数据挖掘聚类算法课程设计报告范本

数据挖掘聚类算法课程设计报告

数据挖掘聚类问题(Plants Data Set)实验报告 1.数据源描述 1.1数据特征 本实验用到的是关于植物信息的数据集,其中包含了每一种植物(种类和科属)以及它们生长的地区。数据集中总共有68个地区,主要分布在美国和加拿大。一条数据(对应于文件中的一行)包含一种植物(或者某一科属)及其在上述68个地区中的分布情况。能够这样理解,该数据集中每一条数据包含两部分内容,如下图所示。 图1 数据格式 例如一条数据:abronia fragrans,az,co,ks,mt,ne,nm,nd,ok,sd,tx,ut,wa,wy。其中abronia fragrans是植物名称(abronia是科属,fragrans是名称),从az一直到wy是该植物的分布区域,采用缩写形式表示,如az代表的是美国Arizona州。植物名称和分布地区用逗号隔开,各地区之间也用逗号隔开。 1.2任务要求 聚类。采用聚类算法根据某种特征对所给数据集进行聚类分析,对于聚类形成的簇要使得簇内数据对象之间的差异尽可能小,簇之间的差距尽可能大。 2.数据预处理

2.1数据清理 所给数据集中包含一些对聚类过程无用的冗余数据。数据集中全部数据的组织结构是:先给出某一科属的植物及其所有分布地区,然后给出该科属下的具体植物及其分布地区。例如:abelmoschus,ct,dc,fl,hi,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi abelmoschus esculentus,ct,dc,fl,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi abelmoschus moschatus,hi,pr 上述数据中第行给出了所有属于abelmoschus这一科属的植物的分布地区,接下来的两行分别列出了属于abelmoschus 科属的两种具体植物及其分布地区。从中能够看出后两行给出的所有地区的并集正是第一行给出的地区集合。在聚类过程中第行数据是无用的,因此要对其进行清理。 2.2数据变换 本实验是依据植物的分布区域进行聚类,所给数据集中的分布区域是字符串形式,不适合进行聚类,因此将其变换成适合聚类的数值形式。具体思想如下: 数据集中总共包含68个区域,每一种植物的分布区域是这68个区域中的一部分。本实验中将68个区域看成是数据对象的68个属性,这68个属性是二元类型的变量,其值只能去0或者1。步骤如下: 1.把68个区域按一定顺序存放在字符串数组(记为str)中(顺序能够自己定,确定后不能改变)。

数据挖掘主要算法

朴素贝叶斯: 有以下几个地方需要注意: 1. 如果给出的特征向量长度可能不同,这是需要归一化为通长度的向量(这里以文本分类为例),比如说是句子单词的话,则长度为整个词汇量的长度,对应位置是该单词出现的次数。 2. 计算公式如下: 其中一项条件概率可以通过朴素贝叶斯条件独立展开。要注意一点就是的计算方法,而由朴素贝叶斯的前提假设可知, = ,因此一般有两种,一种是在类别为ci的那些样本集中,找到wj出现次数的总和,然后除以该样本的总和;第二种方法是类别为ci的那些样本集中,找到wj出现次数的总和,然后除以该样本中所有特征出现次数的总和。 3. 如果中的某一项为0,则其联合概率的乘积也可能为0,即2中公式的分子为0,为了避免这种现象出现,一般情况下会将这一项初始化为1,当然为了保证概率相等,分母应对应初始化为2(这里因为是2类,所以加2,如果是k类就需要加k,术语上叫做laplace 光滑, 分母加k的原因是使之满足全概率公式)。 朴素贝叶斯的优点: 对小规模的数据表现很好,适合多分类任务,适合增量式训练。 缺点: 对输入数据的表达形式很敏感。 决策树: 决策树中很重要的一点就是选择一个属性进行分枝,因此要注意一下信息增益的计算公式,并深入理解它。 信息熵的计算公式如下:

其中的n代表有n个分类类别(比如假设是2类问题,那么n=2)。分别计算这2类样本在总样本中出现的概率p1和p2,这样就可以计算出未选中属性分枝前的信息熵。 现在选中一个属性xi用来进行分枝,此时分枝规则是:如果xi=vx的话,将样本分到树的一个分支;如果不相等则进入另一个分支。很显然,分支中的样本很有可能包括2个类别,分别计算这2个分支的熵H1和H2,计算出分枝后的总信息熵H’=p1*H1+p2*H2.,则此时的信息增益ΔH=H-H’。以信息增益为原则,把所有的属性都测试一边,选择一个使增益最大的属性作为本次分枝属性。 决策树的优点: 计算量简单,可解释性强,比较适合处理有缺失属性值的样本,能够处理不相关的特征; 缺点: 容易过拟合(后续出现了随机森林,减小了过拟合现象); Logistic回归: Logistic是用来分类的,是一种线性分类器,需要注意的地方有: 1. logistic函数表达式为: 其导数形式为: 2. logsitc回归方法主要是用最大似然估计来学习的,所以单个样本的后验概率为: 到整个样本的后验概率:

各种聚类算法的比较

各种聚类算法的比较 聚类的目标是使同一类对象的相似度尽可能地小;不同类对象之间的相似度尽可能地大。目前聚类的方法很多,根据基本思想的不同,大致可以将聚类算法分为五大类:层次聚类算法、分割聚类算法、基于约束的聚类算法、机器学习中的聚类算法和用于高维度的聚类算法。摘自数据挖掘中的聚类分析研究综述这篇论文。 1、层次聚类算法 1.1聚合聚类 1.1.1相似度依据距离不同:Single-Link:最近距离、Complete-Link:最远距离、Average-Link:平均距离 1.1.2最具代表性算法 1)CURE算法 特点:固定数目有代表性的点共同代表类 优点:识别形状复杂,大小不一的聚类,过滤孤立点 2)ROCK算法 特点:对CURE算法的改进 优点:同上,并适用于类别属性的数据 3)CHAMELEON算法 特点:利用了动态建模技术 1.2分解聚类 1.3优缺点 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 2、分割聚类算法 2.1基于密度的聚类 2.1.1特点 将密度足够大的相邻区域连接,能有效处理异常数据,主要用于对空间数据的聚类

1)DBSCAN:不断生长足够高密度的区域 2)DENCLUE:根据数据点在属性空间中的密度进行聚类,密度和网格与处理的结合 3)OPTICS、DBCLASD、CURD:均针对数据在空间中呈现的不同密度分不对DBSCAN作了改进 2.2基于网格的聚类 2.2.1特点 利用属性空间的多维网格数据结构,将空间划分为有限数目的单元以构成网格结构; 1)优点:处理时间与数据对象的数目无关,与数据的输入顺序无关,可以处理任意类型的数据 2)缺点:处理时间与每维空间所划分的单元数相关,一定程度上降低了聚类的质量和准确性 2.2.2典型算法 1)STING:基于网格多分辨率,将空间划分为方形单元,对应不同分辨率2)STING+:改进STING,用于处理动态进化的空间数据 3)CLIQUE:结合网格和密度聚类的思想,能处理大规模高维度数据4)WaveCluster:以信号处理思想为基础 2.3基于图论的聚类 2.3.1特点 转换为组合优化问题,并利用图论和相关启发式算法来解决,构造数据集的最小生成数,再逐步删除最长边 1)优点:不需要进行相似度的计算 2.3.2两个主要的应用形式 1)基于超图的划分 2)基于光谱的图划分 2.4基于平方误差的迭代重分配聚类 2.4.1思想 逐步对聚类结果进行优化、不断将目标数据集向各个聚类中心进行重新分配以获最优解

数据挖掘中十大经典算法

数据挖掘十大经典算法 国际权威的学术组织the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月评选出了数据挖掘领域的十大经典算法:C4.5, k-Means, SVM, Apriori, EM, PageRank, AdaBoost, kNN, Naive Bayes, and CART. 不仅仅是选中的十大算法,其实参加评选的18种算法,实际上随便拿出一种来都可以称得上是经典算法,它们在数据挖掘领域都产生了极为深远的影响。 1. C4.5 C4.5算法是机器学习算法中的一种分类决策树算法,其核心算法是ID3算法. C4.5算法继承了ID3算法的优点,并在以下几方面对ID3算法进行了改进: 1) 用信息增益率来选择属性,克服了用信息增益选择属性时偏向选择取值多的属性的不足; 2) 在树构造过程中进行剪枝; 3) 能够完成对连续属性的离散化处理; 4) 能够对不完整数据进行处理。 C4.5算法有如下优点:产生的分类规则易于理解,准确率较高。其缺点是:在构造树的过程中,需要对数据集进行多次的顺序扫描和排序,因而导致算法的低效。 2. The k-means algorithm 即K-Means算法 k-means algorithm算法是一个聚类算法,把n的对象根据他们的属性分为k个分割,k < n。它与处理混合正态分布的最大期望算法很相似,因为他们都试图找到数据中自然聚类的中心。它假设对象属性来自于空间向量,并且目标是使各个群组内部的均方误差总和最小。 3. Support vector machines 支持向量机,英文为Support Vector Machine,简称SV机(论文中一般简称SVM)。它是一种監督式學習的方法,它广泛的应用于统计分类以及回归分析中。支持向量机将向量映射到一个更高维的空间里,在这个空间里建立有一个最大间隔超平面。在分开数据的超平面的两边建有两个互相平行的超平面。分隔超平面使两个平行超平面的距离最大化。假定平行超平面间的距离或差距越大,分类器的总误差越小。一个极好的指南是C.J.C Burges的《模式识别支持向量机指南》。van der Walt 和Barnard 将支持向量机和其他分类器进行了比较。 4. The Apriori algorithm Apriori算法是一种最有影响的挖掘布尔关联规则频繁项集的算法。其核心是基于两阶段频集思想的递推算法。该关联规则在分类上属于单维、单层、布尔关联规则。在这里,所有支持度大于最小支持度的项集称为频繁项集,简称频集。 5. 最大期望(EM)算法 在统计计算中,最大期望(EM,Expectation–Maximization)算法是在概率(probabilistic)模型中寻找参数最大似然估计的算法,其中概率模型依赖于无法观测的隐藏变量(Latent Variabl)。最大期望经常用在机器学习和计算机视觉的数据集聚(Data Clustering)领域。 6. PageRank PageRank是Google算法的重要内容。2001年9月被授予美国专利,专利人是Google创始人之一拉里?佩奇(Larry Page)。因此,PageRank里的page不是指网页,而是指佩奇,即这个

数据挖掘第三版第十章课后 习题答案

10.1 简略介绍如下聚类方法:划分方法、层次方法。每种给出两个例子。 (1)划分方法:给定一个有N个对象的集合,划分方法构造数据的K个分区,每一个分区表示一个簇,且K≤N。而且这K个分组满足下列条件:第一,每一个分组至少包含一条记录;第二,每一条记录属于且仅属于一个分组(注意:这个要求在某些模糊聚类算法中可以放宽);对于给定的K,算法首先给出一个初始的分组方法,以后通过反复迭代的方法改变分组,使得每一次改进之后的分组方案都较前一次好,而所谓好的标准就是:同一分组中的记录越近越好,而不同分组中的记录越远越好。 使用这个基本思想的算法有:K-MEANS 算法、K-MEDOIDS 算法、CLARANS 算法。 (2)层次方法:这种方法对给定的数据集进行层次似的分解,直到某种条件满足为止。具体又可分为“自底向上”和“自顶向下”两种方案。例如在“自底向上”方案中,初始时每一个数据记录都组成一个单独的组,在接下来的迭代中,它把那些相互邻近的组合并成一个组,直到所有的记录组成一个分组或者某个条件满足为止。 代表算法有:BIRCH 算法、CURE 算法、CHAMELEON 算法等。 10.2 假设数据挖掘的任务是将如下的8个点(用(x, y)代表位置)聚类为3个簇。 A1(2,10), A2(2,5), A3(8,4), B1(5,8), B2(7,5), B3(6,4), C1(1,2), C2(4,9)距离函数是欧氏距离。假设初始我们选择A1、B1和C1分别为每个簇的中心,用k-均值算法给出: (a)在第一轮执行后的3个簇中心。 (b)最后的3个簇。 (a)第一轮后, 三个新的簇为(1){A1} (2){B1,A3,B2,B3,C2} (3){C1,A2} 簇中心分别为(1) (2, 10), (2) (6, 6), (3) (1.5, 3.5).

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