运用三角不等式加速Kmeans聚类算法


引言:最近在刷《数据挖掘导论》,第九章, 9.5.1小节有提到,可以用三角不等式,减少不必要的距离计算,从而达到加速聚类算法的目的。这在超大数据量的情况下,尤为重要。但是书中并没有给出解释和证明。本文以k-means聚类算法为代表,讲解下怎么利用三角不等式减少计算过程。

三角不等式

任一三角形,两边之和大于第三边,两边之差小于第三边。可以从欧式距离扩展到多维欧几里得空间:设任意三个向量a,b,c。d(x,y)代表x,y在空间上的距离,则三角不等式满足:

\[d(a,b)+d(b,c)\ge d(a,c) , d(a,b) - d(b,c) \le d(a,c)\]

K-means算法

K-mean算法

  1. 随机选择K个数据点作为初始质心
  2. repeat
  3.   计算每一个数据点计算到现有K个质心的距离,将它归属到距离最近质心的所在簇中
  4.   重新计算质心。
  5. until 所有质心不再变动

定义

\[假设存在数据点集 X=\{x_1, x_2,..,x_n\} , 质心的集合C=\{ C_1,C_2,...,C_m\}, 对应的簇集合为S=\{ S_1,S_2,...,S_m\}。\]

三角不等式推出的引理

引理1:

\[设 C_i ,C_j(i\neq j )\in C, x \in X。如果2 d(x,C_i) \le d(C_i,C_j) ,那么d(C_i,x) \le d(C_j,x) 。
\]

引理2:

\[ 设C_i \in C, \exists C_j \in C,使得d(C_i,C_j) = min \ d(C_i,C)。对于数据点x \in X,若有2 d(x,C_i) \le d(C_i,C_j),\
那么min \ d(x,C) = d(C_i,x)。(记d(x,C)是x到所有质心的距离)\]

证明引理1:

因为有 \[2 d(C_i,x) \le d(C_i,C_j) \ (1)\]

且由三角不等式:\[ d(C_i,C_j) \le d(x,C_i) + d(x,C_j) \ (2)\]

所以 \[2 d(C_i,x) \le d(x,C_i) + d(x,C_j),即d(C_i,x) \le d(C_j,x)\]

证明引理2:

运用反证法:

假设 \[ \exists C_k \in C,使得d(C_k,x) < d(C_i,x), \]

由题干有:

\[ d(C_k,C_i) \ge d(C_i,C_j) (1) , d(x,C_i) \le d(C_i,C_j) (2)\]

又因为 \[ d(C_k,x) +d (C_i,x) \ge d(C_k,C_i) (3)\]

所以结合(1)(3):

\[ d(C_k,x) +d (C_i,x) \ge d(C_i,C_j) (4)\]

又由假设:

\[ 2d(C_i,x) > d(C_i,C_j) (5)\]

这与条件中\[2 d(x,C_i) \le d(C_i,C_j)\]相矛盾,所以可知假设不成立。

即 \[min \ d(x,C) = d(C_i,x)\]

运用引理1,引理2减少不必要的距离计算

\[对于每一个C_i,用一个hash表存放与它最近的距离 d(C_i,C_j)。\]

1.如果数据点x已经被分配

\[ 则x与它目前所在簇的质心的距离为d(C_i,x),与d(C_i,C_j)比较。 \\
如果 2 d(C_i,x) \le d(C_i,C_j),则说明不需要更换x的归属。(注意反之: 2 d(C_i,x) \gt d(C_i,C_j)),并不能说明x应该数据 C_j所在的簇,所以还需要继续计算x与每个质心的距离。)\]

2.如果数据点x还未被分配

\[ 则需要遍历计算, \forall C_i \in C, 比较 2 d(C_i ,x) \le d(C_i,C_j)是否成立,若成立,说明x应当归属 C_i ,无需再计算其他距离。\]

改进的K-means算法

K-mean算法

  1. 随机选择K个数据点作为初始质心
  2. repeat
  3.  计算k个质心间的距离,并且用hash表保存每个质心的到其他质心的最短距离。(用d(Ci,Cj)表示质心Ci和它最近质心是Cj的距离)。

    4.  repeat

        对于每个数据点x

        if(数据点x已分配在质心Ci所在簇)

         if 2d(Ci,x) <=d(Ci,Cj)

          x分配无需变动;

         else

          继续计算x到现有K个质心的距离,将它归属到距离最近质心的所在簇中

          end if

        else(数据点x未分配到任何簇)

         for i from 0 to K do

          if 2d(Ci,x) <=d(Ci,Cj)

           将x归属到Ci所在簇中

           退出for循环

          end if

          end for

        end if
  4.   重新计算质心。
  5. until 所有质心不再变动

引申

本文中只举例了使用欧几里得距离的K-means算法。其实本文中的d(x,y)不仅可以指代distance,更广义的可以指代dissimilarity。任何通过度量相异性的聚类算法都可以使用三角不等式,避免多余的计算,例如计算最近邻的DBSCAN。感兴趣的读者可以自己推导改进。

运用三角不等式加速Kmeans聚类算法的更多相关文章

  1. K-Means 聚类算法

    K-Means 概念定义: K-Means 是一种基于距离的排他的聚类划分方法. 上面的 K-Means 描述中包含了几个概念: 聚类(Clustering):K-Means 是一种聚类分析(Clus ...

  2. k-means聚类算法python实现

    K-means聚类算法 算法优缺点: 优点:容易实现缺点:可能收敛到局部最小值,在大规模数据集上收敛较慢使用数据类型:数值型数据 算法思想 k-means算法实际上就是通过计算不同样本间的距离来判断他 ...

  3. K-Means 聚类算法原理分析与代码实现

    前言 在前面的文章中,涉及到的机器学习算法均为监督学习算法. 所谓监督学习,就是有训练过程的学习.再确切点,就是有 "分类标签集" 的学习. 现在开始,将进入到非监督学习领域.从经 ...

  4. Kmeans聚类算法原理与实现

    Kmeans聚类算法 1 Kmeans聚类算法的基本原理 K-means算法是最为经典的基于划分的聚类方法,是十大经典数据挖掘算法之一.K-means算法的基本思想是:以空间中k个点为中心进行聚类,对 ...

  5. 机器学习六--K-means聚类算法

    机器学习六--K-means聚类算法 想想常见的分类算法有决策树.Logistic回归.SVM.贝叶斯等.分类作为一种监督学习方法,要求必须事先明确知道各个类别的信息,并且断言所有待分类项都有一个类别 ...

  6. 转载: scikit-learn学习之K-means聚类算法与 Mini Batch K-Means算法

    版权声明:<—— 本文为作者呕心沥血打造,若要转载,请注明出处@http://blog.csdn.net/gamer_gyt <—— 目录(?)[+] ================== ...

  7. 沙湖王 | 用Scipy实现K-means聚类算法

    沙湖王 | 用Scipy实现K-means聚类算法 用Scipy实现K-means聚类算法

  8. Matlab中K-means聚类算法的使用(K-均值聚类)

    K-means聚类算法采用的是将N*P的矩阵X划分为K个类,使得类内对象之间的距离最大,而类之间的距离最小. 使用方法:Idx=Kmeans(X,K)[Idx,C]=Kmeans(X,K) [Idx, ...

  9. 视觉SLAM之词袋(bag of words) 模型与K-means聚类算法浅析

    原文地址:http://www.cnblogs.com/zjiaxing/p/5548265.html 在目前实际的视觉SLAM中,闭环检测多采用DBOW2模型https://github.com/d ...

随机推荐

  1. vs2012 asp调试设置 清单目录

    在web.cong中添加 <system.webServer> <directoryBrowse enabled="true" /> </system ...

  2. elasticsearch使用river同步mysql数据

    ====== mysql的river介绍======      - 什么是river?river代表es的一个数据源,也是其它存储方式(如:数据库)同步数据到es的一个方法.它是以插件方式存在的一个e ...

  3. js在(FF)中长字段溢出(自动换行)

    function toBreakWord(el,intLen){    var obj=document.getElementByIdx_x(el);     var strContent=obj.i ...

  4. 《Python基础教程》第2章读书笔记(1)

    # -*- coding:utf-8 -*- #最基本的数据结构:序列,索引从0开始 #python包括6种内建的序列 #最常用的序列包括:列表,元祖 #列表 edward = ['Edward Gu ...

  5. How To Use ggplot in ggplot2?

    1.What is ggplot2 ggplot2基本要素 数据(Data)和映射(Mapping) 几何对象(Geometric) 标尺(Scale) 统计变换(Statistics) 坐标系统(C ...

  6. Centos7多网卡绑定操作,通过nmcli命令操作。

    运行 ip link 命令查看系统中可用的接口1.创建bond网卡nmcli con add type team con-name team0 ifname team0 config '{" ...

  7. Ubuntu16.04安装NVIDIA驱动时的一些坑与解决方案

    这几天在新购置的笔记本上部署工作环境,在安装NVIDIA驱动的时候遇到了不少坑,重装了很多次,在Ubuntu论坛以及其他资料源看了很多大牛的分析,最终终于解决了一个又一个问题,过程比较艰辛,所以决定写 ...

  8. MyBatis注解配置动态SQL

    MySQL创建表 DROP TABLE IF EXISTS `tb_employee`; CREATE TABLE `tb_employee` ( `id` int(11) NOT NULL AUTO ...

  9. vue2.0版cnode社区项目搭建及实战开发

    _________________________________________________________________________ 初涉vue就深深的被vue强大的功能,快速的开发能力 ...

  10. java源码剖析: 对象内存布局、JVM锁以及优化

    一.目录 1.启蒙知识预热:CAS原理+JVM对象头内存存储结构 2.JVM中锁优化:锁粗化.锁消除.偏向锁.轻量级锁.自旋锁. 3.总结:偏向锁.轻量级锁,重量级锁的优缺点. 二.启蒙知识预热 开启 ...