Участник:Mansur/Алгоритм K-means++: различия между версиями
Mansur (обсуждение | вклад) 1.1, 3 |
Mansur (обсуждение | вклад) |
||
| (не показано 6 промежуточных версий этого же участника) | |||
| Строка 2: | Строка 2: | ||
=== Общее описание алгоритма === | === Общее описание алгоритма === | ||
k-means++<ref>Arthur, D.; Vassilvitskii, S. (2007). "k-means++: the advantages of careful seeding" (PDF). Proceedings of the eighteenth annual ACM-SIAM symposium on Discrete algorithms. Society for Industrial and Applied Mathematics Philadelphia, PA, USA. pp. 1027–1035.</ref> | '''''k-means++'''''<ref>Arthur, D.; Vassilvitskii, S. (2007). "k-means++: the advantages of careful seeding" (PDF). Proceedings of the eighteenth annual ACM-SIAM symposium on Discrete algorithms. Society for Industrial and Applied Mathematics Philadelphia, PA, USA. pp. 1027–1035.</ref> — улучшенная версия алгоритма кластеризации k-means. Суть улучшения заключается в нахождении более «хороших» начальных значений центроидов кластеров. Задача k-means состоит в том, чтобы найти центры кластеров, которые минимизируют внутриклассовую дисперсию, т.е. сумму квадратов расстояний от каждой кластеризуемой точки данных до ее центроида кластера (центра, который находится ближе всего к ней), то есть разбить <math>n</math> наблюдений на <math>k</math> кластеров таким образом, чтобы каждое наблюдение принадлежало ровно одному кластеру, расположенному на наименьшем расстоянии от наблюдения. Хотя найти точное решение задачи о k-средних для произвольных входных данных NP-сложно, <ref>Drineas, P.; Frieze, A.; Kannan, R.; Vempala, S.; Vinay, V. (2004). "Clustering Large Graphs via the Singular Value Decomposition". Machine Learning. 56 (1–3): 9–33. doi:10.1023/B:MACH.0000033113.59016.96</ref> стандартный подход к нахождению приближенного решения широко используется и часто быстро находит разумные решения. | ||
Однако алгоритм k- | Однако алгоритм k-means имеет, по крайней мере, два основных теоретических недостатка: | ||
# Было показано, что наихудшее время выполнения алгоритма является супер-полиномиальным по размеру входных данных.<ref>Arthur, D.; Vassilvitskii, S. (2006). "How slow is the k-means method?". Proceedings of the twenty-second annual symposium on Computational geometry. ACM New York, NY, USA. pp. 144–153. | |||
</ref> | </ref> | ||
# Найденное приближение может быть сколь угодно плохим по отношению к целевой функции по сравнению с оптимальной кластеризацией. | |||
=== Математическое описание алгоритма === | === Математическое описание алгоритма === | ||
# Случайным образом | '''Дано''': | ||
# Для каждой точки данных | * набор из <math display=block>n</math> наблюдений <math display=block>X={x_1,x_2,...,x_n},x_i \in R^d, i=1,...,n;</math> | ||
# Выбрать следующий центроид из точек данных таким образом, чтобы вероятность выбора точки в качестве центроида была прямо пропорциональна ее расстоянию от ближайшего, ранее выбранного центроида | * <math display=block>k</math> - требуемое число кластеров, <math display=block>k \in N, k \leq n.</math> | ||
# Повторять шаги 2 и 3 до тех пор, пока не будут отобраны k центроидов. | * | ||
Требуется: | |||
Разделить множество наблюдений <math display=block>X</math> на <math display=block>k</math> кластеров <math display=block>S_1,S_2,...,S_k:</math> | |||
* <math display=block>S_i ∩ S_j = ∅, i ≠ j</math> | |||
* <math display=block>\bigcup_{i=1}^{k}S_i = X</math> | |||
* | |||
Действие алгоритма: | |||
Алгоритм k-means++ разбивает набор <math display=block>X</math> на <math display=block>k</math> наборов <math display=block>S_1,S_2,...,S_k</math>, таким образом, чтобы минимизировать сумму квадратов расстояний от каждой точки кластера до его центроида(центр масс кластера). Введем обозначение, <math display=block>S={S_1,S_2,...,S_k}</math>. Тогда действие алгоритма k-means++ равносильно поиску: | |||
<math display=block>\arg\min_{S} \sum\limits_{i=1}^k \sum\limits_{\mathbf{x} \in S_i} \rho(\mathbf{x}, \mathbf{\mu}_i )^2</math>, | |||
где <math display="block">{\mu_i} = \frac{1}{|S_i|}\sum_{\mathbf x \in S_i} \mathbf x, </math> – центры кластеров, <math display=block>i=1,...,k,\rho(x,μ_i)</math> – расстояние между <math>x</math> и <math>μ_i</math> | |||
'''Алгоритм:''' | |||
'''''Инициализация:''''' <math></math> | |||
# Случайным образом выбрать первый центроид <math>\mu_1</math> из точек данных. | |||
# Для каждой точки данных x вычислить ее расстояние <math>D(x)</math> от ближайшего, ранее выбранного центроида. | |||
# Выбрать следующий центроид из точек данных таким образом, чтобы вероятность выбора точки в качестве центроида была прямо пропорциональна квадрату ее расстоянию <math>D^2(x)</math> от ближайшего, ранее выбранного центроида: <math>\frac{D^2(x)}{\sum_{x}D^2(x)}</math>(т.е. точка, имеющая максимальное расстояние от ближайшего центроида, с наибольшей вероятностью будет выбрана следующей в качестве центроида) | |||
# Повторять шаги 2 и 3 до тех пор, пока не будут отобраны k центроидов: <math>\mu_i^{(0)} = \mu_i, \quad i=1,...,k</math>. | |||
Теперь, когда начальные центроиды выбраны, нужно использовать стандартную кластеризацию k-means: | |||
1. <b>Распределение векторов по кластерам:</b> | |||
<p><b>Шаг</b> <math>t: \forall \mathbf{x}_i \in X, \ i=1,...,n: j=\arg\min_{k}\rho(\mathbf{x}_i,\mathbf{\mu}_k^{(t-1)})^2 \Longrightarrow \mathbf{x}_i \in S_j</math></p> | |||
2. <b>Пересчет центров кластеров:</b> | |||
<p><b>Шаг </b> <math>t: \forall i=1,...,k: \mu_i^{(t)} = \cfrac{1}{|S_i|}\sum_{x\in S_i}x</math></p> | |||
3. <b>Проверка условия останова:</b> | |||
<p></p> | |||
* '''если''' <math>\exists i\in \overline{1,k}: \mu_i^{(t)} \ne \mu_i^{(t-1)}</math> '''тогда''' | |||
** <math>t = t + 1</math>; | |||
** переход к шагу пересчета; | |||
* '''иначе:''' | |||
** '''останова''' | |||
</li> | |||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | === Вычислительное ядро алгоритма === | ||
| Строка 55: | Строка 89: | ||
== Литература == | == Литература == | ||
<references /> | <references /> | ||
Текущая версия от 20:53, 30 октября 2023
Свойства и структура алгоритмов
Общее описание алгоритма
k-means++[1] — улучшенная версия алгоритма кластеризации k-means. Суть улучшения заключается в нахождении более «хороших» начальных значений центроидов кластеров. Задача k-means состоит в том, чтобы найти центры кластеров, которые минимизируют внутриклассовую дисперсию, т.е. сумму квадратов расстояний от каждой кластеризуемой точки данных до ее центроида кластера (центра, который находится ближе всего к ней), то есть разбить [math]\displaystyle{ n }[/math] наблюдений на [math]\displaystyle{ k }[/math] кластеров таким образом, чтобы каждое наблюдение принадлежало ровно одному кластеру, расположенному на наименьшем расстоянии от наблюдения. Хотя найти точное решение задачи о k-средних для произвольных входных данных NP-сложно, [2] стандартный подход к нахождению приближенного решения широко используется и часто быстро находит разумные решения.
Однако алгоритм k-means имеет, по крайней мере, два основных теоретических недостатка:
- Было показано, что наихудшее время выполнения алгоритма является супер-полиномиальным по размеру входных данных.[3]
- Найденное приближение может быть сколь угодно плохим по отношению к целевой функции по сравнению с оптимальной кластеризацией.
Математическое описание алгоритма
Дано:
- набор из [math]\displaystyle{ n }[/math] наблюдений [math]\displaystyle{ X={x_1,x_2,...,x_n},x_i \in R^d, i=1,...,n; }[/math]
- [math]\displaystyle{ k }[/math] - требуемое число кластеров, [math]\displaystyle{ k \in N, k \leq n. }[/math]
Требуется:
Разделить множество наблюдений [math]\displaystyle{ X }[/math] на [math]\displaystyle{ k }[/math] кластеров [math]\displaystyle{ S_1,S_2,...,S_k: }[/math]
- [math]\displaystyle{ S_i ∩ S_j = ∅, i ≠ j }[/math]
- [math]\displaystyle{ \bigcup_{i=1}^{k}S_i = X }[/math]
Действие алгоритма:
Алгоритм k-means++ разбивает набор [math]\displaystyle{ X }[/math] на [math]\displaystyle{ k }[/math] наборов [math]\displaystyle{ S_1,S_2,...,S_k }[/math], таким образом, чтобы минимизировать сумму квадратов расстояний от каждой точки кластера до его центроида(центр масс кластера). Введем обозначение, [math]\displaystyle{ S={S_1,S_2,...,S_k} }[/math]. Тогда действие алгоритма k-means++ равносильно поиску:
[math]\displaystyle{ \arg\min_{S} \sum\limits_{i=1}^k \sum\limits_{\mathbf{x} \in S_i} \rho(\mathbf{x}, \mathbf{\mu}_i )^2 }[/math], где [math]\displaystyle{ {\mu_i} = \frac{1}{|S_i|}\sum_{\mathbf x \in S_i} \mathbf x, }[/math] – центры кластеров, [math]\displaystyle{ i=1,...,k,\rho(x,μ_i) }[/math] – расстояние между [math]\displaystyle{ x }[/math] и [math]\displaystyle{ μ_i }[/math]
Алгоритм:
Инициализация: [math]\displaystyle{ }[/math]
- Случайным образом выбрать первый центроид [math]\displaystyle{ \mu_1 }[/math] из точек данных.
- Для каждой точки данных x вычислить ее расстояние [math]\displaystyle{ D(x) }[/math] от ближайшего, ранее выбранного центроида.
- Выбрать следующий центроид из точек данных таким образом, чтобы вероятность выбора точки в качестве центроида была прямо пропорциональна квадрату ее расстоянию [math]\displaystyle{ D^2(x) }[/math] от ближайшего, ранее выбранного центроида: [math]\displaystyle{ \frac{D^2(x)}{\sum_{x}D^2(x)} }[/math](т.е. точка, имеющая максимальное расстояние от ближайшего центроида, с наибольшей вероятностью будет выбрана следующей в качестве центроида)
- Повторять шаги 2 и 3 до тех пор, пока не будут отобраны k центроидов: [math]\displaystyle{ \mu_i^{(0)} = \mu_i, \quad i=1,...,k }[/math].
Теперь, когда начальные центроиды выбраны, нужно использовать стандартную кластеризацию k-means:
1. Распределение векторов по кластерам:
Шаг [math]\displaystyle{ t: \forall \mathbf{x}_i \in X, \ i=1,...,n: j=\arg\min_{k}\rho(\mathbf{x}_i,\mathbf{\mu}_k^{(t-1)})^2 \Longrightarrow \mathbf{x}_i \in S_j }[/math]
2. Пересчет центров кластеров:
Шаг [math]\displaystyle{ t: \forall i=1,...,k: \mu_i^{(t)} = \cfrac{1}{|S_i|}\sum_{x\in S_i}x }[/math]
3. Проверка условия останова:
- если [math]\displaystyle{ \exists i\in \overline{1,k}: \mu_i^{(t)} \ne \mu_i^{(t-1)} }[/math] тогда
- [math]\displaystyle{ t = t + 1 }[/math];
- переход к шагу пересчета;
- иначе:
- останова
Вычислительное ядро алгоритма
Макроструктура алгоритма
Схема реализации последовательного алгоритма
Последовательная сложность алгоритма
Информационный граф
Ресурс параллелизма алгоритма
Входные и выходные данные алгоритма
Свойства алгоритма
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Литература
- ↑ Arthur, D.; Vassilvitskii, S. (2007). "k-means++: the advantages of careful seeding" (PDF). Proceedings of the eighteenth annual ACM-SIAM symposium on Discrete algorithms. Society for Industrial and Applied Mathematics Philadelphia, PA, USA. pp. 1027–1035.
- ↑ Drineas, P.; Frieze, A.; Kannan, R.; Vempala, S.; Vinay, V. (2004). "Clustering Large Graphs via the Singular Value Decomposition". Machine Learning. 56 (1–3): 9–33. doi:10.1023/B:MACH.0000033113.59016.96
- ↑ Arthur, D.; Vassilvitskii, S. (2006). "How slow is the k-means method?". Proceedings of the twenty-second annual symposium on Computational geometry. ACM New York, NY, USA. pp. 144–153.