Python从零实现K-Means聚类算法:原理、代码与肘部法则分析
本文详细讲解如何在Python中不使用现成聚类库从零实现K-Means算法。内容涵盖算法核心原理、距离与均值计算逻辑、数据预处理及数据集划分方法。通过手动编写代码,演示如何迭代更新质点并计算训练集与测试集的SSE损失。结合肘部法则(Elbow Method),分析不同K值下的聚类效果,并通过代码示例展示如何利用SSE差值确定最优K值,适合希望深入理解聚类算法底层逻辑的开发者参考。
实验目标设定
一、实验目标
本实验旨在通过手动实现K-means模型进行聚类分析,尝试设定不同的类别数量K,并深入分析最终的聚类效果。
具体任务包括:按照8:2的比例随机将数据划分为训练集和测试集;至少尝试3个不同的K值;绘制不同K值下的聚类结果图,以及各模型在训练集和测试集上的损失曲线。通过对结果的综合讨论,找出最能解释数据分布特征的K值。
算法原理与流程
算法核心步骤如下:首先确定k值,随机选取k个初始质心点;随后所有数据点根据到各质心的距离进行初步聚类,将距离某个质点a比其他质点更近的点归入a所属的类;接着根据每一类数据点的均值更新迭代聚类中心;迭代结束后,分别计算训练集和测试集的损失函数SSE_train与SSE_test,并通过绘图进行可视化分析。

算法逻辑的伪代码描述如下:
num=10 #k的种类
for k in range(1,num):
随机选择k个质点
for i in range(n): #迭代n次
根据点与质点间的距离对于X_train进行聚类
根据mean值迭代更新质点
计算SSE_train
计算SSE_test
画图
算法执行流程图如图所示:

Python代码实现细节
三、代码实现
1、导入必要的库文件
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
2、定义计算两点间距离的函数
def distance(p1,p2):
return np.sqrt((p1[0]-p2[0])**2+(p1[1]-p2[1])**2)
3、定义计算聚类均值的方法
def means(arr):
return np.array([np.mean([p[0] for p in arr]),np.mean([p[1] for p in arr])])
4、处理二维数据格式
#数据处理
data= pd.read_table('cluster.dat',sep='\t',header=None)
data.columns=['x']
data['y']=None
for i in range(len(data)): #遍历每一行
column = data['x'][i].split( ) #分开第i行,x列的数据。split()默认是以空格等符号来分割,返回一个列表
data['x'][i]=column[0] #分割形成的列表第一个数据给x列
data['y'][i]=column[1] #分割形成的列表第二个数据给y列
list=[]
list1=[]
for i in range(len(data)):
list.append(float(data['x'][i]))
list.append(float(data['y'][i]))
list1.append(list)
list=[]
arr=np.array(list1)
print(arr)

5、划分训练集与测试数据集
#按照8:2划分数据集和训练集
X_train, X_test = train_test_split(arr,test_size=0.2,random_state=1)
6、实现核心聚类逻辑
count=10 #k的种类:1、2、3...10
SSE_train=[] #训练集的SSE
SSE_test=[] #测试集的SSE
n=20 #迭代次数
for k in range(1,count):
cla_arr=[] #聚类容器
centroid=[] #质点
for i in range(k):
j=np.random.randint(0,len(X_train))
centroid.append(list1[j])
cla_arr.append([])
centroids=np.array(centroid)
cla_tmp=cla_arr #临时训练集聚类容器
cla_tmp1=cla_arr #临时测试集聚类容器
for i in range(n): #开始迭代
for e in X_train: #对于训练集中的点进行聚类分析
pi=0
min_d=distance(e,centroids[pi])
for j in range(k):
if(distance(e,centroids[j])<min_d):
min_d=distance(e,centroids[j])
pi=j
cla_tmp[pi].append(e) #添加点到相应的聚类容器中
for m in range(k):
if(n-1==i):
break
centroids[m]=means(cla_tmp[m])#迭代更新聚类中心
cla_tmp[m]=[]
dis=0
for i in range(k): #计算训练集的SSE_train
for j in range(len(cla_tmp[i])):
dis+=distance(centroids[i],cla_tmp[i][j])
SSE_train.append(dis)
col = ['HotPink','Aqua','Chartreuse','yellow','red','blue','green','grey','orange'] #画出对应K的散点图
for i in range(k):
plt.scatter([e[0] for e in cla_tmp[i]],[e[1] for e in cla_tmp[i]],color=col[i])
plt.scatter(centroids[i][0],centroids[i][1],linewidth=3,s=300,marker='+',color='black')
plt.show()
for e in X_test: #测试集根据训练集的质点进行聚类分析
ki=0
min_d=distance(e,centroids[ki])
for j in range(k):
if(distance(e,centroids[j])<min_d):
min_d=distance(e,centroids[j])
ki=j
cla_tmp1[ki].append(e)
for i in range(k): #计算测试集的SSE_test
for j in range(len(cla_tmp1[i])):
dis+=distance(centroids[i],cla_tmp1[i][j])
SSE_test.append(dis)

7、可视化绘图模块
SSE=[] #计算测试集与训练集SSE的差值
for i in range(len(SSE_test)):
SSE.append(SSE_test[i]-SSE_train[i])
x=[1,2,3,4,5,6,7,8,9]
plt.figure()
plt.plot(x,SSE_train,marker='*')
plt.xlabel("K")
plt.ylabel("SSE_train")
plt.show() #画出SSE_train的图
plt.figure()
plt.plot(x,SSE_test,marker='*')
plt.xlabel("K")
plt.ylabel("SSE_test")
plt.show() #画出SSE_test的图
plt.figure()
plt.plot(x,SSE,marker='+')
plt.xlabel("K")
plt.ylabel("SSE_test-SSE_train")
plt.show() #画出SSE_test-SSE_train的图


实验结果与模型评估
四、实验结果分析
观察结果可知,SSE值随着K值的增加呈现下降趋势,且测试集与训练集的图形变化趋势基本一致。在相同的K值下,测试集的SSE通常大于训练集的SSE。为了进一步评估模型性能,我对相同K值下的SSE_test与SSE_train进行了差值计算(参考上图3),结果显示当K=4时,数据得出的结果表现最佳。本部分主要依据肘部原则(Elbow Method)来判断最优K值。需要注意的是,本文未实现轮廓系数(Silhouette Coefficient),相关参考文章链接为:https://www.jb51.net/article/187771.htm
总结
至此,关于使用Python代码手动实现K-means聚类分析(不依赖现成聚类库)的介绍已完成。如需了解更多关于Python K-means聚类分析的内容,欢迎搜索本站历史文章或继续浏览后续相关教程。感谢大家的支持!
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