Участник:Demon smd/Нечеткий алгоритм С средних: различия между версиями
Demon smd (обсуждение | вклад) мНет описания правки |
Demon smd (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| (не показано 112 промежуточных версий 5 участников) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
{{Assignment|Coctic}} | |||
{{algorithm | {{algorithm | ||
| name = | | name = Нечеткий алгоритм C средних (Fuzzy C-means) | ||
| serial_complexity = <math> | | serial_complexity = <math>O(C^2*|X|*D*IterNumber)</math> | ||
| pf_height = <math> | | pf_height = <math>O(\log_{2}C^4*|X|^3) * IterNumber</math> | ||
| pf_width = <math> | | pf_width = <math>O(C^2*|X|)</math> | ||
| input_data = <math> | | input_data = <math>|X|*p</math>, где <math>p</math> - размерность входных векторов | ||
| output_data = <math> | | output_data = <math>|X|*C </math> | ||
}} | }} | ||
Авторы описания алгоритма: [[Участник:Demon smd|Д.А.Гуськов]] | Авторы описания алгоритма: | ||
[[Участник:Demon smd|Д.А.Гуськов]] | |||
[[Участник:marina abramenkova|М.А.Абраменкова]]. | |||
Во все разделы вклад равноценный. | |||
== Свойства и структура алгоритма == | == Свойства и структура алгоритма == | ||
=== Общее описание алгоритма === | === Общее описание алгоритма === | ||
Нечёткий алгоритм кластеризации С-средних был разработан J.C. Dunn в 1973 г. <ref>Dunn, J. C. (1973-01-01). "A Fuzzy Relative of the ISODATA Process and Its Use in Detecting Compact Well-Separated Clusters". Journal of Cybernetics. 3 (3): 32–57. doi:10.1080/01969727308546046. ISSN 0022-0280.</ref> и | Нечёткий алгоритм кластеризации С-средних был разработан (для случая m=2) J.C. Dunn в 1973 г. | ||
<ref>Dunn, J. C. (1973-01-01). "A Fuzzy Relative of the ISODATA Process and Its Use in Detecting Compact Well-Separated Clusters". Journal of Cybernetics. 3 (3): 32–57. doi:10.1080/01969727308546046. ISSN 0022-0280.</ref> | |||
и усовершенствован (для случая m>1) | |||
J.C. Bezdek в 1981 г. <ref>Bezdek, James C. (1981). Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms. ISBN 0-306-40671-3.</ref> | |||
. В отличие от алгоритма c-means данный метод кластеризации предполагает, что входные данные могут принадлежать более, чем одному кластеру одновременно. | |||
Алгоритм получает на вход набор кластеризуемых векторов, количество кластеров, коэффициент неопределённости m и коэффициент <math>\varepsilon > 0</math>, определяющий точность алгоритма. На выходе алгоритма получаем матрицу вероятностей принадлежности каждого входного вектора каждому кластеру. | |||
Нечеткий алгоритм С средних заключается в следующем. Изначально для каждого вектора определяется случайным образом вероятность принадлежности вектора к каждому кластеру. Далее запускается итерационный процесс, на каждой итерации которого происходит: | |||
1) расчёт центров кластеров | |||
2) расчёт Евклидова расстояния от каждого вектора до центра каждого кластера | |||
3) расчёт и нормализация коэффициентов принадлежности векторов кластерам | |||
4) расчёт значения решающей функции и сравнение этого значения со значением решающей функции на предшествующей итерации: если разница этих значений меньше установленного значения, то алгоритм прекращает работу (решающая функция возвращает сумму всех Евклидовых расстояний каждого объекта к каждому центру кластера умноженному на коэффициент принадлежности) | |||
=== Математическое описание алгоритма === | === Математическое описание алгоритма === | ||
Нечеткий алгоритм С средних минимизирует величину: | |||
:<math> | |||
\begin{align} | |||
\sum_{i = 1}^{|X|}\sum_{j = 1}^{C}u_{i,j}^m\left\Vert{x_{i}-c_{j}}\right\|^2 & , & & 1 \le m \le \infty , \\ | |||
\end{align} | |||
</math> | |||
где m - это действительное число не меньше единицы, <math>u_{i,j}</math> - коэффициент принадлежности вектора <math>x_{i}</math> к кластеру <math>c_{j}</math>, <math>x_{i}</math> - <math>i</math>-ый компонент <math>|X|</math>-мерного вектора <math>X</math>, <math>C</math> - количество кластеров, <math>c_{j}</math> | |||
- центр <math>j</math>-ого кластера, а <math>\left\Vert{*}\right\|</math> - это любая норма, определяющая расстояние от вектора до центра кластера. | |||
Нечёткое разбиение входных данных на кластеры производится итеративной оптимизацией вышеуказанной функции с обновлением коэффициента принадлежности <math>u_{i,j}</math> и переопределением центра кластера <math>c_{j}</math> на каждой итерации алгоритма. | |||
==== Вычисляемые данные на каждой итерации ==== | |||
* Центры кластеров рассчитываются по следующей формуле: <math>c_{j} = {{\sum_{i = 1}^{n}{u_{i,j}^m} * x_{i}} \over {\sum_{i = 1}^{n}{u_{i,j}^m}}}</math>, где <math>u_{i,j}</math> — коэффициент принадлежности <math>x_{i}</math> вектора к кластеру <math>c_{j}</math>. | |||
* Коэффициент принадлежности рассчитывается по формуле: <math>u_{i,j} = {1 \over \sum_{k = 1}^{C}{({\left\Vert{x_{i}-c_{j}}\right\| \over \left\Vert{x_{i}-c_{k}}\right\|})}^{2 \over m-1}}</math> | |||
* Решающая функция рассчитывается по формуле: <math>\max_{i,j}(|u_{i,j}^{(k)} - u_{i,j}^{(k-1)}|)</math>, где <math>k</math> - номер итерации алгоритма | |||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | |||
Ядром алгоритма является: | |||
* вычисление новых центров кластеров | |||
* для каждого входного вектора вычисление Евклидова расстояния до центров кластеров, а также коэффициента принадлежности кластерам | |||
* вычисление решающей функции | |||
=== Макроструктура алгоритма === | |||
В каждой итерации алгоритма происходит 3 основных действия описанных в п. 1.2.1: | |||
*вычисление центров кластеров | |||
*вычисление коэффициентов принадлежности | |||
*вычисление решающей функции | |||
Подробное описание макроструктур в виде кода приведено в пункте 1.5 | |||
=== Схема реализации последовательного алгоритма === | |||
Схему реализации последовательного алгоритма можно описать на C++ следующим образом: | |||
<source lang="C++"> | |||
FCM (X[], C, m, eps){ | |||
float deside = 0; | |||
float newDeside = 0; | |||
generateMembershipDegree(); //заполняет uPrev[][] случайными нормрованными коэффициентами | |||
while (true){ | |||
newDeside = deside; | |||
//вычисление центров кластеров | |||
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера | |||
float numerator = 0; | |||
float denumerator = 0; | |||
for (int i=0; i<X.size(); i++){ //для каждого вектора | |||
numerator+=pow(u[i][j], m) * x[i]; | |||
denumerator+=pow(u[i][j], m); | |||
} | |||
c[j] = numerator / denumerator; | |||
} | |||
//вычисление коэффициентов u[][] | |||
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора | |||
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера | |||
sum = 0; | |||
for (int k=0; k<C; k++) | |||
sum+= pow( dist(x[i], c[j]) / dist(x[i], c[k]), 2/(m-1)); | |||
u[i][j] = 1/sum | |||
} | |||
//определения максимального различия между u[][] и uPrev[][] | |||
float max = 0; | |||
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора | |||
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера | |||
if (abs(uPrev[i][j]-u[i][j])>max) | |||
max = abs(uPrev[i][j]-u[i][j]); | |||
if (eps <= max) | |||
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора | |||
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера | |||
uPrev[i][j]=u[i][j]; | |||
else | |||
break; | |||
} | |||
return u; | |||
} | |||
</source> | |||
=== Последовательная сложность алгоритма === | |||
Последовательная сложность всего алгоритма складывается из сложности операций на каждой итерации умноженную на количество итераций. | |||
Под операцией будем понимать выражение в языке с++ из пункта 1.5, находящееся в теле цикла (например, выражения "sum+= pow( dist(x[i], c[j]) / dist(x[i], c[k]), 2/(m-1));" или "uPrev[i][j]=u[i][j];" считаются за одну операцию). Так как при больших входных объёмах данных сложность алгоритма в большей степени зависит от количества входных данных, и незначительно зависит от сложности операций,то при оценке сложности алгоритма сложность выражений можно считать равной единице. Так как в данном алгоритме количество итераций не является фиксированным и зависит от: | |||
* параметра <math>\varepsilon</math> | |||
* набора входных векторов <math>x</math> | |||
* выбора начальных коэффициентов <math>u</math> | |||
то в данном пункте будет приведена сложность одной итерации относительно количества входных векторов. | |||
Для вычисления коэффициентов u[][] на каждой итерации алгоритма требуется определить расстояние от векторов до центра кластера. Сложность данной операции зависит от размерности входных данных и определении нормы. В виду того, что для разных задач могут быть введены разные нормы, и сложность вычисления расстояний может варьироваться, то в данной статье будем считать, что сложность вычисления расстояния зависит линейно от размерности водных данных. В таком случае, для вычисления центров кластеров требуется <math>O(2*C*|X|)</math> операций, для определения коэффициентов <math>u</math> - <math>O(C^2*|X|*D)</math> операций, а для вычисления решающей функции - <math>O(2*C*|X|)</math> операций, где <math>|X|</math> - число входных векторов, а <math>C</math> - количество кластеров. | |||
Таким образом итоговая сложность одной итерации составляет <math>O(C^2*|X|*D)</math>. | |||
=== Информационный граф === | |||
Как видно из пункта 1.5, на каждом действии каждой итерации алгоритма все операции, выполняющиеся в цикле, не зависят друг от друга и могут быть распараллелены. Это показано на Рисунке 1. | |||
[[File:FCMIG.png|thumb|center|1200px|Рисунок 1. Информационный граф алгоритма. (1)-(7) - это наборы последовательных действий (например, (2) - последовательные операции деления, чтения элемента из памяти и присваивания).]] | |||
=== Ресурс параллелизма алгоритма === | |||
На каждом ярусе ярусно-параллельной формы алгоритма будет располагаться конечное число элементарных операций, например, чтение элемента из памяти, сложение или возведение в степень. Информационый граф из п.1.7 изображает свёрнутую ярусно-параллельную форму алгоритма. | |||
Сложность алгоритма будем рассчитывать в предположении, что число вычислительных ядер стремится к бесконечности. Как видно из информационного графа, параллельная сложность вычисления центров кластеров составляет <math>O(\log_{2}(C*|X|))</math>, вычисления коэффициентов принадлежности - <math>O(\log_{2}(C^2*|X|))</math>, а вычисления решающей функции - не больше чем <math>O(\log_{2} (C*|X|))</math>. | |||
Таким образом параллельная сложность итерации алгоритма составляет <math>O(\log_{2} (C^4*|X|^3))</math>. | |||
Так как задачи, решаемые в макроструктуре алгоритма могут быть сведены к задачам вычисления суммы элементов массива и максимального элемента массива, то на <math>i</math>-ом ярусе графа будет находиться <math>{N}\over{2^i}</math> операции, где N - количество элементов массива. | |||
=== Входные и выходные данные алгоритма === | |||
==== Входные данные алгоритма ==== | |||
* <math>X</math> - набор из <math>|X|</math> входных векторов длины <math>p</math> | |||
* <math>C</math> - количество кластеров | |||
* <math>m</math> - коэффициент неопределённости | |||
* <math>\varepsilon > 0</math> - коэффициент, определяющий точность алгоритма. | |||
Объем входных данных: <math>|X|*p+3</math> | |||
==== Выходные данные алгоритма ==== | |||
* <math>u</math> - матрица принадлежности векторов кластерам | |||
Объем выходных данных: <math>|X|*C</math> | |||
=== Свойства алгоритма === | |||
Увеличение скорости работы алгоритма при распараллеливании на бесконечном количестве процессоров составляет <math>O({{C^2*|X|}\over{\log_{2} (C^4*|X|^3)}})</math>. Например, для разбиения 1000 элементов на 10 кластеров производительность параллельного алгоритма будет в 2315 раз больше, а на 20 кластеров - уже в 8477 раз. | |||
== Программная реализация алгоритма == | |||
=== Особенности реализации последовательного алгоритма === | |||
=== Локальность данных и вычислений === | |||
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | |||
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации === | |||
Как видно из предыдущих пунктов, масштабируется данный алгоритм хорошо. С увеличением количества процессоров время работы падает, а с увеличением количества входных данных и количества кластеров - растёт. | |||
На рисунках показаны результаты запусков алгоритма на разном количестве входных данных и процессоров на массивно-параллельной вычислительной системе Blue Gene/P. Использовался компилятор mpixlcxx без указания специфических опций. Запуски производились в режиме SMP (на каждом ядре 1 MPI процесс из 4 SMP нитей, 2 Гб памяти). Характеристики вычислительного узла: 4 ядерный 32-битный процессор PowerPC 850 Мгц. | |||
Исходных код программы можно найти здесь: https://github.com/demonsmd/superPrak | |||
[[File:FCMvectors_color2.png|thumb|center|1250px|Рисунок 2. Масштабируемость алгоритма. Зависимость времени работы алгоритма от количества процессоров и входных данных при фиксированном количестве кластеров.]] | |||
[[File:FCMclusters_color.png|thumb|center|1250px|Рисунок 3. Масштабируемость алгоритма. Зависимость времени работы алгоритма от количества процессоров и кластеров при фиксированном количестве входных данных.]] | |||
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма === | |||
=== Выводы для классов архитектур === | |||
=== Существующие реализации алгоритма === | |||
Существует множество реализаций данного алгоритма. Рассмотрим некоторые из них: | |||
- Например, тут: https://habrahabr.ru/post/208496/ | |||
<ref>Нестер А. "Алгоритм нечёткой кластеризации fuzzy c-means на PHP". [html](https://habrahabr.ru/post/208496/)</ref> | |||
приведено краткое описание алгоритма и приведена его реализация на php. В данной статье довольно подробно расписан каждый шаг алгоритма и приведён соответствующий ему фрагмент кода. | |||
- Тут: http://num-meth.srcc.msu.ru/zhurnal/tom_2012/v13r207.html | |||
<ref>Миниахметов Р.М., Цымблер М.Л. "Интеграция алгоритма кластеризации Fuzzy c-Means в PostgreSQL". [html](http://num-meth.srcc.msu.ru/zhurnal/tom_2012/v13r207.html)</ref> | |||
приводится реализация алгоритма для PostgreSQL, а также прилагается скрипт внедрения алгоритма. | |||
== Литература == | == Литература == | ||
<references \> | <references \> | ||
Текущая версия от 21:13, 18 декабря 2016
| Файл:Symbol wait.svg | Эта работа прошла предварительную проверку Дата последней правки страницы: 18.12.2016 Данная работа соответствует формальным критериям. Проверено Coctic. |
| Нечеткий алгоритм C средних (Fuzzy C-means) | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | [math]\displaystyle{ O(C^2*|X|*D*IterNumber) }[/math] |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ |X|*p }[/math], где [math]\displaystyle{ p }[/math] - размерность входных векторов |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ |X|*C }[/math] |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(\log_{2}C^4*|X|^3) * IterNumber }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(C^2*|X|) }[/math] |
Авторы описания алгоритма:
Д.А.Гуськов
М.А.Абраменкова.
Во все разделы вклад равноценный.
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Нечёткий алгоритм кластеризации С-средних был разработан (для случая m=2) J.C. Dunn в 1973 г. [1] и усовершенствован (для случая m>1) J.C. Bezdek в 1981 г. [2] . В отличие от алгоритма c-means данный метод кластеризации предполагает, что входные данные могут принадлежать более, чем одному кластеру одновременно. Алгоритм получает на вход набор кластеризуемых векторов, количество кластеров, коэффициент неопределённости m и коэффициент [math]\displaystyle{ \varepsilon \gt 0 }[/math], определяющий точность алгоритма. На выходе алгоритма получаем матрицу вероятностей принадлежности каждого входного вектора каждому кластеру.
Нечеткий алгоритм С средних заключается в следующем. Изначально для каждого вектора определяется случайным образом вероятность принадлежности вектора к каждому кластеру. Далее запускается итерационный процесс, на каждой итерации которого происходит:
1) расчёт центров кластеров
2) расчёт Евклидова расстояния от каждого вектора до центра каждого кластера
3) расчёт и нормализация коэффициентов принадлежности векторов кластерам
4) расчёт значения решающей функции и сравнение этого значения со значением решающей функции на предшествующей итерации: если разница этих значений меньше установленного значения, то алгоритм прекращает работу (решающая функция возвращает сумму всех Евклидовых расстояний каждого объекта к каждому центру кластера умноженному на коэффициент принадлежности)
Математическое описание алгоритма
Нечеткий алгоритм С средних минимизирует величину:
- [math]\displaystyle{ \begin{align} \sum_{i = 1}^{|X|}\sum_{j = 1}^{C}u_{i,j}^m\left\Vert{x_{i}-c_{j}}\right\|^2 & , & & 1 \le m \le \infty , \\ \end{align} }[/math]
где m - это действительное число не меньше единицы, [math]\displaystyle{ u_{i,j} }[/math] - коэффициент принадлежности вектора [math]\displaystyle{ x_{i} }[/math] к кластеру [math]\displaystyle{ c_{j} }[/math], [math]\displaystyle{ x_{i} }[/math] - [math]\displaystyle{ i }[/math]-ый компонент [math]\displaystyle{ |X| }[/math]-мерного вектора [math]\displaystyle{ X }[/math], [math]\displaystyle{ C }[/math] - количество кластеров, [math]\displaystyle{ c_{j} }[/math] - центр [math]\displaystyle{ j }[/math]-ого кластера, а [math]\displaystyle{ \left\Vert{*}\right\| }[/math] - это любая норма, определяющая расстояние от вектора до центра кластера. Нечёткое разбиение входных данных на кластеры производится итеративной оптимизацией вышеуказанной функции с обновлением коэффициента принадлежности [math]\displaystyle{ u_{i,j} }[/math] и переопределением центра кластера [math]\displaystyle{ c_{j} }[/math] на каждой итерации алгоритма.
Вычисляемые данные на каждой итерации
- Центры кластеров рассчитываются по следующей формуле: [math]\displaystyle{ c_{j} = {{\sum_{i = 1}^{n}{u_{i,j}^m} * x_{i}} \over {\sum_{i = 1}^{n}{u_{i,j}^m}}} }[/math], где [math]\displaystyle{ u_{i,j} }[/math] — коэффициент принадлежности [math]\displaystyle{ x_{i} }[/math] вектора к кластеру [math]\displaystyle{ c_{j} }[/math].
- Коэффициент принадлежности рассчитывается по формуле: [math]\displaystyle{ u_{i,j} = {1 \over \sum_{k = 1}^{C}{({\left\Vert{x_{i}-c_{j}}\right\| \over \left\Vert{x_{i}-c_{k}}\right\|})}^{2 \over m-1}} }[/math]
- Решающая функция рассчитывается по формуле: [math]\displaystyle{ \max_{i,j}(|u_{i,j}^{(k)} - u_{i,j}^{(k-1)}|) }[/math], где [math]\displaystyle{ k }[/math] - номер итерации алгоритма
Вычислительное ядро алгоритма
Ядром алгоритма является:
- вычисление новых центров кластеров
- для каждого входного вектора вычисление Евклидова расстояния до центров кластеров, а также коэффициента принадлежности кластерам
- вычисление решающей функции
Макроструктура алгоритма
В каждой итерации алгоритма происходит 3 основных действия описанных в п. 1.2.1:
- вычисление центров кластеров
- вычисление коэффициентов принадлежности
- вычисление решающей функции
Подробное описание макроструктур в виде кода приведено в пункте 1.5
Схема реализации последовательного алгоритма
Схему реализации последовательного алгоритма можно описать на C++ следующим образом:
FCM (X[], C, m, eps){
float deside = 0;
float newDeside = 0;
generateMembershipDegree(); //заполняет uPrev[][] случайными нормрованными коэффициентами
while (true){
newDeside = deside;
//вычисление центров кластеров
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера
float numerator = 0;
float denumerator = 0;
for (int i=0; i<X.size(); i++){ //для каждого вектора
numerator+=pow(u[i][j], m) * x[i];
denumerator+=pow(u[i][j], m);
}
c[j] = numerator / denumerator;
}
//вычисление коэффициентов u[][]
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера
sum = 0;
for (int k=0; k<C; k++)
sum+= pow( dist(x[i], c[j]) / dist(x[i], c[k]), 2/(m-1));
u[i][j] = 1/sum
}
//определения максимального различия между u[][] и uPrev[][]
float max = 0;
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера
if (abs(uPrev[i][j]-u[i][j])>max)
max = abs(uPrev[i][j]-u[i][j]);
if (eps <= max)
for (int i=0; i<X.size(); i++) //для каждого вектора
for (int j=0; j<C; j++){ //для каждого кластера
uPrev[i][j]=u[i][j];
else
break;
}
return u;
}
Последовательная сложность алгоритма
Последовательная сложность всего алгоритма складывается из сложности операций на каждой итерации умноженную на количество итераций. Под операцией будем понимать выражение в языке с++ из пункта 1.5, находящееся в теле цикла (например, выражения "sum+= pow( dist(x[i], c[j]) / dist(x[i], c[k]), 2/(m-1));" или "uPrev[i][j]=u[i][j];" считаются за одну операцию). Так как при больших входных объёмах данных сложность алгоритма в большей степени зависит от количества входных данных, и незначительно зависит от сложности операций,то при оценке сложности алгоритма сложность выражений можно считать равной единице. Так как в данном алгоритме количество итераций не является фиксированным и зависит от:
- параметра [math]\displaystyle{ \varepsilon }[/math]
- набора входных векторов [math]\displaystyle{ x }[/math]
- выбора начальных коэффициентов [math]\displaystyle{ u }[/math]
то в данном пункте будет приведена сложность одной итерации относительно количества входных векторов. Для вычисления коэффициентов u[][] на каждой итерации алгоритма требуется определить расстояние от векторов до центра кластера. Сложность данной операции зависит от размерности входных данных и определении нормы. В виду того, что для разных задач могут быть введены разные нормы, и сложность вычисления расстояний может варьироваться, то в данной статье будем считать, что сложность вычисления расстояния зависит линейно от размерности водных данных. В таком случае, для вычисления центров кластеров требуется [math]\displaystyle{ O(2*C*|X|) }[/math] операций, для определения коэффициентов [math]\displaystyle{ u }[/math] - [math]\displaystyle{ O(C^2*|X|*D) }[/math] операций, а для вычисления решающей функции - [math]\displaystyle{ O(2*C*|X|) }[/math] операций, где [math]\displaystyle{ |X| }[/math] - число входных векторов, а [math]\displaystyle{ C }[/math] - количество кластеров.
Таким образом итоговая сложность одной итерации составляет [math]\displaystyle{ O(C^2*|X|*D) }[/math].
Информационный граф
Как видно из пункта 1.5, на каждом действии каждой итерации алгоритма все операции, выполняющиеся в цикле, не зависят друг от друга и могут быть распараллелены. Это показано на Рисунке 1.

Ресурс параллелизма алгоритма
На каждом ярусе ярусно-параллельной формы алгоритма будет располагаться конечное число элементарных операций, например, чтение элемента из памяти, сложение или возведение в степень. Информационый граф из п.1.7 изображает свёрнутую ярусно-параллельную форму алгоритма.
Сложность алгоритма будем рассчитывать в предположении, что число вычислительных ядер стремится к бесконечности. Как видно из информационного графа, параллельная сложность вычисления центров кластеров составляет [math]\displaystyle{ O(\log_{2}(C*|X|)) }[/math], вычисления коэффициентов принадлежности - [math]\displaystyle{ O(\log_{2}(C^2*|X|)) }[/math], а вычисления решающей функции - не больше чем [math]\displaystyle{ O(\log_{2} (C*|X|)) }[/math].
Таким образом параллельная сложность итерации алгоритма составляет [math]\displaystyle{ O(\log_{2} (C^4*|X|^3)) }[/math].
Так как задачи, решаемые в макроструктуре алгоритма могут быть сведены к задачам вычисления суммы элементов массива и максимального элемента массива, то на [math]\displaystyle{ i }[/math]-ом ярусе графа будет находиться [math]\displaystyle{ {N}\over{2^i} }[/math] операции, где N - количество элементов массива.
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные алгоритма
- [math]\displaystyle{ X }[/math] - набор из [math]\displaystyle{ |X| }[/math] входных векторов длины [math]\displaystyle{ p }[/math]
- [math]\displaystyle{ C }[/math] - количество кластеров
- [math]\displaystyle{ m }[/math] - коэффициент неопределённости
- [math]\displaystyle{ \varepsilon \gt 0 }[/math] - коэффициент, определяющий точность алгоритма.
Объем входных данных: [math]\displaystyle{ |X|*p+3 }[/math]
Выходные данные алгоритма
- [math]\displaystyle{ u }[/math] - матрица принадлежности векторов кластерам
Объем выходных данных: [math]\displaystyle{ |X|*C }[/math]
Свойства алгоритма
Увеличение скорости работы алгоритма при распараллеливании на бесконечном количестве процессоров составляет [math]\displaystyle{ O({{C^2*|X|}\over{\log_{2} (C^4*|X|^3)}}) }[/math]. Например, для разбиения 1000 элементов на 10 кластеров производительность параллельного алгоритма будет в 2315 раз больше, а на 20 кластеров - уже в 8477 раз.
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Как видно из предыдущих пунктов, масштабируется данный алгоритм хорошо. С увеличением количества процессоров время работы падает, а с увеличением количества входных данных и количества кластеров - растёт. На рисунках показаны результаты запусков алгоритма на разном количестве входных данных и процессоров на массивно-параллельной вычислительной системе Blue Gene/P. Использовался компилятор mpixlcxx без указания специфических опций. Запуски производились в режиме SMP (на каждом ядре 1 MPI процесс из 4 SMP нитей, 2 Гб памяти). Характеристики вычислительного узла: 4 ядерный 32-битный процессор PowerPC 850 Мгц.
Исходных код программы можно найти здесь: https://github.com/demonsmd/superPrak


Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Существует множество реализаций данного алгоритма. Рассмотрим некоторые из них:
- Например, тут: https://habrahabr.ru/post/208496/ [3] приведено краткое описание алгоритма и приведена его реализация на php. В данной статье довольно подробно расписан каждый шаг алгоритма и приведён соответствующий ему фрагмент кода.
- Тут: http://num-meth.srcc.msu.ru/zhurnal/tom_2012/v13r207.html [4] приводится реализация алгоритма для PostgreSQL, а также прилагается скрипт внедрения алгоритма.
Литература
<references \>
- ↑ Dunn, J. C. (1973-01-01). "A Fuzzy Relative of the ISODATA Process and Its Use in Detecting Compact Well-Separated Clusters". Journal of Cybernetics. 3 (3): 32–57. doi:10.1080/01969727308546046. ISSN 0022-0280.
- ↑ Bezdek, James C. (1981). Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms. ISBN 0-306-40671-3.
- ↑ Нестер А. "Алгоритм нечёткой кластеризации fuzzy c-means на PHP". [html](https://habrahabr.ru/post/208496/)
- ↑ Миниахметов Р.М., Цымблер М.Л. "Интеграция алгоритма кластеризации Fuzzy c-Means в PostgreSQL". [html](http://num-meth.srcc.msu.ru/zhurnal/tom_2012/v13r207.html)