Python实现K-means聚类算法并可视化生成动图步骤详解

K-means算法介绍

简单来说，K-means算法是一种无监督算法，不需要事先对数据集打上标签，即ground-truth，也可以对数据集进行分类，并且可以指定类别数目 牧师-村民模型

K-means 有一个著名的解释：牧师—村民模型：

有四个牧师去郊区布道，一开始牧师们随意选了几个布道点，并且把这几个布道点的情况公告给了郊区所有的村民，于是每个村民到离自己家最近的布道点去听课。
听课之后，大家觉得距离太远了，于是每个牧师统计了一下自己的课上所有的村民的地址，搬到了所有地址的中心地带，并且在海报上更新了自己的布道点的位置。
牧师每一次移动不可能离所有人都更近，有的人发现A牧师移动以后自己还不如去B牧师处听课更近，于是每个村民又去了离自己最近的布道点……
就这样，牧师每个礼拜更新自己的位置，村民根据自己的情况选择布道点，最终稳定了下来。

牧师的目的非常明显，就是要让每个来上自己课的村民走的路程最少

算法步骤

  1. 指定k个中心点
  2. 更新数据点所属类别：计算每个数据点到这k个点的欧氏距离，距离最小即为这个数据点的类别
  3. 更新中心点坐标：对每一个类别的数据点求平均，平均值即为新的中心点位置

伪代码

获取m个n维的数据
随即选取k个点作为初始中心点
while keep_changing:
	for i in range(m):
		for j in range(k):
			计算每个点到center的距离
			判断离哪个点更近
		for center in range(k):
			更新类别中心点的坐标

用Python实现K-means聚类算法

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import sklearn.datasets as datasets

def create_data():
    X,y = datasets.make_blobs(n_samples=1000,n_features=2,centers=[[1,0],[5,4],[2,3],[10,8],[7,4]])
    return X,y

def init_centers(data,k):
    m, n =data.shape
    # m 样本个数，n特征个数
    center_ids = np.random.choice(m,k)
    centers = data[center_ids]
    return centers

def cal_dist(ptA,ptB):
   return np.linalg.norm(ptA-ptB)

def kmeans_process(data,k):
    centers = init_centers(data, k)
    m, n = data.shape
    keep_changing = True
    pred_y = np.zeros((m,))

    while keep_changing:
        keep_changing = False
        # 计算剩余样本所属类别
        for i in range(m):
            min_distance = np.inf
            for center in range(k):
                distance = cal_dist(data[i,:],centers[center,:])
                if distance<min_distance: # 判断离哪个更近
                    min_distance = distance
                    idx = center # 类别换下
            if pred_y[i] != idx:   # 判断是否发生了改变
                keep_changing = True
            pred_y[i] = idx
        # 更新类别中心点坐标
        for center in range(k):
            cluster_data = data[pred_y==center]
            centers[center,:] = np.mean(cluster_data, axis=0) # 求相同类别数据点的质心点
        print(centers)
    return centers, pred_y

if __name__ == '__main__':
    X, y = create_data()
    centers , pred_y = kmeans_process(data=X, k=5)
    plt.scatter(X[:,0], X[:,1], s=3, c=pred_y)
    plt.scatter(centers[:,0], centers[:,1], s=10, c='k')
    plt.show()

效果图

到此这篇关于Python实现K-means聚类算法并可视化生成动图步骤详解的文章就介绍到这了,更多相关Python可视化K-means聚类算法内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

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