Ich versuche, einige Vektoren mit 90 Merkmalen mit K-Mitteln zu gruppieren. Da dieser Algorithmus mich nach der Anzahl der Cluster fragt, möchte ich meine Wahl mit einer guten Mathematik bestätigen. Ich erwarte 8 bis 10 Cluster. Die Funktionen sind Z-Score-skaliert.
Ellbogenmethode und Varianz erklärt
from scipy.spatial.distance import cdist, pdist
from sklearn.cluster import KMeans
K = range(1,50)
KM = [KMeans(n_clusters=k).fit(dt_trans) for k in K]
centroids = [k.cluster_centers_ for k in KM]
D_k = [cdist(dt_trans, cent, 'euclidean') for cent in centroids]
cIdx = [np.argmin(D,axis=1) for D in D_k]
dist = [np.min(D,axis=1) for D in D_k]
avgWithinSS = [sum(d)/dt_trans.shape[0] for d in dist]
# Total with-in sum of square
wcss = [sum(d**2) for d in dist]
tss = sum(pdist(dt_trans)**2)/dt_trans.shape[0]
bss = tss-wcss
kIdx = 10-1
# elbow curve
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
ax.plot(K, avgWithinSS, 'b*-')
ax.plot(K[kIdx], avgWithinSS[kIdx], marker='o', markersize=12,
markeredgewidth=2, markeredgecolor='r', markerfacecolor='None')
plt.grid(True)
plt.xlabel('Number of clusters')
plt.ylabel('Average within-cluster sum of squares')
plt.title('Elbow for KMeans clustering')
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
ax.plot(K, bss/tss*100, 'b*-')
plt.grid(True)
plt.xlabel('Number of clusters')
plt.ylabel('Percentage of variance explained')
plt.title('Elbow for KMeans clustering')
Aus diesen beiden Bildern geht hervor, dass die Anzahl der Cluster niemals aufhört: D. Seltsam! Wo ist der Ellbogen? Wie kann ich K wählen?
Bayesianisches Informationskriterium
Diese Methode stammt direkt von X-means und verwendet den BIC , um die Anzahl der Cluster zu bestimmen. eine andere ref
from sklearn.metrics import euclidean_distances
from sklearn.cluster import KMeans
def bic(clusters, centroids):
num_points = sum(len(cluster) for cluster in clusters)
num_dims = clusters[0][0].shape[0]
log_likelihood = _loglikelihood(num_points, num_dims, clusters, centroids)
num_params = _free_params(len(clusters), num_dims)
return log_likelihood - num_params / 2.0 * np.log(num_points)
def _free_params(num_clusters, num_dims):
return num_clusters * (num_dims + 1)
def _loglikelihood(num_points, num_dims, clusters, centroids):
ll = 0
for cluster in clusters:
fRn = len(cluster)
t1 = fRn * np.log(fRn)
t2 = fRn * np.log(num_points)
variance = _cluster_variance(num_points, clusters, centroids) or np.nextafter(0, 1)
t3 = ((fRn * num_dims) / 2.0) * np.log((2.0 * np.pi) * variance)
t4 = (fRn - 1.0) / 2.0
ll += t1 - t2 - t3 - t4
return ll
def _cluster_variance(num_points, clusters, centroids):
s = 0
denom = float(num_points - len(centroids))
for cluster, centroid in zip(clusters, centroids):
distances = euclidean_distances(cluster, centroid)
s += (distances*distances).sum()
return s / denom
from scipy.spatial import distance
def compute_bic(kmeans,X):
"""
Computes the BIC metric for a given clusters
Parameters:
-----------------------------------------
kmeans: List of clustering object from scikit learn
X : multidimension np array of data points
Returns:
-----------------------------------------
BIC value
"""
# assign centers and labels
centers = [kmeans.cluster_centers_]
labels = kmeans.labels_
#number of clusters
m = kmeans.n_clusters
# size of the clusters
n = np.bincount(labels)
#size of data set
N, d = X.shape
#compute variance for all clusters beforehand
cl_var = (1.0 / (N - m) / d) * sum([sum(distance.cdist(X[np.where(labels == i)], [centers[0][i]], 'euclidean')**2) for i in range(m)])
const_term = 0.5 * m * np.log(N) * (d+1)
BIC = np.sum([n[i] * np.log(n[i]) -
n[i] * np.log(N) -
((n[i] * d) / 2) * np.log(2*np.pi*cl_var) -
((n[i] - 1) * d/ 2) for i in range(m)]) - const_term
return(BIC)
sns.set_style("ticks")
sns.set_palette(sns.color_palette("Blues_r"))
bics = []
for n_clusters in range(2,50):
kmeans = KMeans(n_clusters=n_clusters)
kmeans.fit(dt_trans)
labels = kmeans.labels_
centroids = kmeans.cluster_centers_
clusters = {}
for i,d in enumerate(kmeans.labels_):
if d not in clusters:
clusters[d] = []
clusters[d].append(dt_trans[i])
bics.append(compute_bic(kmeans,dt_trans))#-bic(clusters.values(), centroids))
plt.plot(bics)
plt.ylabel("BIC score")
plt.xlabel("k")
plt.title("BIC scoring for K-means cell's behaviour")
sns.despine()
#plt.savefig('figures/K-means-BIC.pdf', format='pdf', dpi=330,bbox_inches='tight')
Gleiches Problem hier ... Was ist K?
Silhouette
from sklearn.metrics import silhouette_score
s = []
for n_clusters in range(2,30):
kmeans = KMeans(n_clusters=n_clusters)
kmeans.fit(dt_trans)
labels = kmeans.labels_
centroids = kmeans.cluster_centers_
s.append(silhouette_score(dt_trans, labels, metric='euclidean'))
plt.plot(s)
plt.ylabel("Silouette")
plt.xlabel("k")
plt.title("Silouette for K-means cell's behaviour")
sns.despine()
Alleluja! Hier scheint es Sinn zu machen und das ist, was ich erwarte. Aber warum unterscheidet sich das von den anderen?
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Um Ihre Frage zum Knie im Varianzfall zu beantworten: Es sieht so aus, als ob es bei 6 oder 7 liegt. Sie können es sich als Bruchstelle zwischen zwei linearen Approximationssegmenten zur Kurve vorstellen. Die Form des Diagramms ist nicht ungewöhnlich. Die prozentuale Varianz nähert sich häufig asymptotisch 100%. Ich würde k in Ihr BIC-Diagramm als etwas niedriger einsetzen, um 5.
—
image_doctor
aber ich sollte (mehr oder weniger) in allen methoden die gleichen ergebnisse haben, oder?
—
Marcodena
Ich glaube nicht, dass ich genug weiß, um es zu sagen. Ich bezweifle sehr, dass die drei Methoden mit allen Daten mathematisch äquivalent sind, da sie sonst nicht als unterschiedliche Techniken existieren und die Vergleichsergebnisse datenabhängig sind. Zwei der Methoden geben die Anzahl der Cluster an, die nahe beieinander liegen, die dritte ist höher, aber nicht enorm. Haben Sie a priori Informationen über die tatsächliche Anzahl von Clustern?
—
image_doctor
Ich bin nicht 100% sicher, aber ich erwarte 8 bis 10 Cluster
—
Marcodena
Sie befinden sich bereits im Schwarzen Loch von "Curse of Dimensionality". Nichts funktioniert vor einer Dimensionsreduktion.
—
Kasra Manshaei
