Участник:Avasilenko/Partitioning Around Medoids (PAM): различия между версиями
Нет описания правки |
Нет описания правки |
||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
Авторы: [[Участник:Avasilenko|А.Э.Василенко]], [[Участник:Anastasia|А.В.Тузикова]] | |||
| | |||
| | |||
==Свойства и структура алгоритма== | |||
== | === Общее описание алгоритма === | ||
Объединение схожих объектов в группы - один из важнейших видов человеческой деятельности<ref>Rousseeuw P. J., Kaufman L. Finding Groups in Data. – Wiley Online Library, 1990.</ref>. Более того - это важная часть процесса познания мира, в котором мы живем. Мы учим детей различать кошек и собак, воду и песок, мужчин и женщин путем постоянного развития и улучшения подсознательных схем классификации. Примеры есть и во взрослой жизни – в химии необходимо классифицировать соединения, в археологии – объединять находки по периодам и т.д. | |||
'''Задача кластеризации''' - разделение множества объектов на заданное число множеств с минимизацией некоторого функционала - является популярной задачей, относится к разделу машинного обучения и находит применение в таких областях, как анализ текста, биоинформатика, интеллектуальные транспортные системы и др. <ref> Речкалов Т.В. Параллельный алгоритм кластеризации для многоядерного сопроцессора Intel Xeon Phi // Суперкомпьютерные дни в России: Труды vеждународной конференции. – М.: Изд-во МГУ, 2015, c. 532.</ref> | |||
'''PAM''' ('''Partitioning Around Medoids''') - плоский алгоритм кластеризации, позволяющй выделить <math>k</math> кластеров (множеств), удовлетворяющих следующим свойствам: | |||
* каждая группа содержит хотя бы один объект; | |||
* каждый объект принадлежит ровно одной группе. | |||
Модель <ref>Kaufman, L. and Rousseeuw, P.J., Clustering by means of Medoids. In: Y. Dodge and North-Holland, editor. Statistical Data Analysis Based on the L1-Norm and Related Methods. Springer US; 1987, p. 405–416.</ref>, лежащая в основе алгоритма PAM, основана на выборе <math>k</math> объектов, являющихся характерными точками соответствующего кластера. Таким образом, кластерам ставятся в соответствие принадлежащие им объекты, называемые '''медоидами''', на основании которых распределяются остальные объекты по принципу наибольшего сходства. Cама модель называется моделью '''k-medoids''' (не путать с моделью '''k-median'''). | |||
PAM состоит из двух фаз: '''BUILD''' и '''SWAP''': | |||
* на фазе BUILD выполняется первичная кластеризация, в ходе которой последовательно выбираются <math>k</math> объектов в качестве медоидов; | |||
* фаза SWAP представляет собой итерационный процесс, в ходе которого производятся попытки улучшить множество медоидов. Алгоритм выполняет поиск пары объектов (медоид, не-медоид), минимизирующих целевую функцию при замене, после чего обновляет множество медоидов. | |||
На каждой итерации алгоритма выбирается пара (медоид, не-медоид) такая, что замена медоида <math>x_{m_i}</math> на не-медоид <math>x_{o_h}</math> дает лучшую кластеризацию из возможных. Оценка кластеризации выполняется с помощью целевой функции, вычисляемой как сумма расстояний от каждого объекта до ближайшего медоида: | |||
:<math>E = \sum_{j = 1}^n \min_{1 \leq i \leq k} \rho ( x_{m_i},x_{o_h} )</math> | |||
Процедура изменения множества медоидов повторяется, пока есть возможность улучшения значения целевой функции. | |||
=== Математическое описание алгоритма === | === Математическое описание алгоритма === | ||
''Исходные данные'': | |||
* множество кластеризуемых объектов <math>X = \{ x_1, x_2, ... , x_n \} </math>, где <math>x_i</math> - кортеж, состоящий из <math> w </math> вещественных чисел; | |||
* симметрическая матрица <math>D</math>, элементы матрицы <math>d_{ij}=d(i,j)</math> - вычисленные расстояния между объектами <math>x_i, x_j</math>; | |||
* количество кластеров <math>k \leq n.</math> | |||
''Обозначения'': | |||
* <math>M = \{ x_{m_1}, x_{m_2}, ... , x_{m_k} \} </math> - множество медоидов, <math> M \subseteq X ;</math> | |||
* <math>O = \{ x_{o_1}, x_{o_2}, ... , x_{o_r} \} </math> - множество не-медоидов, <math> O \subseteq X, </math> где <math>r=n-k;</math> | |||
* <math>d_{ij}=\rho (x_i, x_j )</math>, где <math> \rho : X \times X \rightarrow R </math> — метрика расстояния; | |||
* <math>F_{MO} = \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M} \rho ( x_{m_l},x_{o_j} )</math> - значение целевой функции для заданных множеств <math>O</math> и <math>M;</math> | |||
* <math>T^i</math> - изменение целевой функции на <math>i</math>-м шаге фазы SWAP. | |||
''Выходные данные'': | |||
* <math>M = \{ x_{m_1}, x_{m_2}, ... , x_{m_k} \}</math> - множество медоидов; | |||
* <math>K_{m_i} = \{ x_{o_h} \in O \| x_{m_i} = \arg \min_{x_{m_s} \in M} \rho (x_{o_h}, x_{m_s}) \}, 1 \leq i \leq k</math> - искомые кластеры. | |||
''Вычислительные формулы метода'': | |||
* ''фаза BUILD'' (состоит из <math>k</math> шагов последовательного выбора <math>k</math> медоидов): | |||
** <math>O_0 = X, M_0 = \varnothing ;</math> | |||
** <math>x_{m_1} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_0} \sum_{j = 1}^n \rho \left ( x_{o_h},x_j \right ), O_1 = O_0 \backslash \{x_{m_1}\}, M_1 = M_1 \cup \{x_{m_1}\} ; </math> | |||
** <math>x_{m_2} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_1} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \rho ( x_{m_1},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ), O_2 = O_1 \backslash \{x_{m_2}\}, M_2 = M_1 \cup \{x_{m_2}\} ; </math> | |||
** <math>x_{m_3} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_2} \sum_{j = 1}^{n} \min_{1 \leq l \leq 2} ( \rho ( x_{m_l},x_j ) , \rho ( x_{o_h},x_j ) ) , O_3 = O_2 \backslash \{x_{m_3}\}, M_3 = M_3 \cup \{x_{m_3}\} ; </math> | |||
** ... | |||
** <math>x_{m_k} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_{k-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{k-1}} ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ) , O_k = O_{k-1} \backslash \{x_{m_k}\}, M_k = M_{k-1} \cup \{x_{m_k}\} ; </math> | |||
* ''фаза SWAP'' (итерационный процесс): | |||
** начальное приближение: <math>O_0 = O_k^{BUILD}, M_0 = M_k^{BUILD};</math> | |||
** <math>i</math>-й шаг итерации: | |||
*** вычисление целевой функции при оптимальной замене (замене, при которой достигается лучшая кластеризация из возможных на текущей итерации): <br><math>F^i = \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} , x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j) ); </math> | |||
*** определение пары (медоид, не-медоид), на которой достигается оптимальная замена: <br><math> (x_{m_s}, x_{o_h}) = \arg F^i; </math> | |||
*** проверка критерия останова; | |||
*** изменение множеств в соответствии с выбранной парой <math> (x_{m_s}, x_{o_h}):</math> <br><math>M_i = M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} \cup \{x_{o_h}\} , O_i = O_{i-1} \cup \{x_{m_s}\} \backslash \{x_{o_h}\} ;</math> | |||
** критерий останова: | |||
*** <math>T^i = F^{i-1} - F^{i} \leq 0 .</math> | |||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | === Вычислительное ядро алгоритма === | ||
'''Вычислительное ядро алгоритма PAM на этапе BUILD''' состоит из множественных вычислений значений целевой функции при различных вариантах выбора дополнительного медоида (шаг алгоритма <math>1 \leq i \leq k</math>): | |||
<math>F^i = \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1}} ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ) = \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \overline{MIN}_{i, x_{o_h}}^{(j)}.</math> | |||
Где: | |||
* <math>\overline{MIN}_{1, x_{o_h} \in O_0} = \{ \rho (x_{o_h}, x_j ) \| 1 \leq j \leq n \};</math> | |||
* <math>\overline{MIN}_{i, x_{o_h} \in O_{i-1}} = \{ \min ( \overline{MIN}_{i-1, x_{m_{i-1}}}^{(j)}, \rho (x_{o_h}, x_j) ) \| 1 \leq j \leq n \}, \forall i: 1 < i \leq k.</math> | |||
Таким образом, на каждой последующей итерации можно использовать величину, вычисленную на предыдущем шаге, что позволяет сократить число вычислений минимумов. | |||
С каждой итерацией количество вариантов выбора дополнительных медоидов уменьшается на единицу, таким образом, на <math>i</math>-м шаге целевую функцию нужно вычислить лишь <math>|O_{i-1}| = n-i+1</math> раз. | |||
'''Вычислительное ядро алгоритма PAM на этапе SWAP''' состоит из множественных вычислений значений целевой функции при различных вариантах замены некоторого существующего медоида на элемент из числа не-медоидов (<math>i</math>-я итерация фазы SWAP): | |||
<math>F^i = \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} , x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j) ) =</math><br><math>= \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} } \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )) , \rho ( x_{o_h},x_j) )</math> | |||
Таким образом, при поиске пары (медоид, не-медоид), наилучшим образом минимизирующей целевую функцию, происходит поиск минимума по всем возможным элементам <math>x_{o_h}</math>, для которых вычисляется <math>\sum_{j = 1}^{n} \min (a, b)</math>, где <math>a</math> есть <math> \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )),</math> и является инвариантом по отношению к <math>\min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )) , \rho ( x_{o_h},x_j) ),</math> что позволяет сократить количество вычисляемых минимумов. | |||
=== Макроструктура алгоритма === | === Макроструктура алгоритма === | ||
Нахождение расстояния между двумя объектами <math>\rho \left ( p, q \right )</math> является макрооперацией в том случае, если на вход алгоритму подавалась не матрица расстояний, а набор точек с их координатами в пространстве <math>R^w</math>. | |||
В этом случае может быть использована, например, евклидова метрика: | |||
:<math>d(p,q)=\sqrt{(p_1-q_1)^2+(p_2-q_2)^2+\dots+(p_w-q_w)^2} = \sqrt{\sum_{j=1}^w (p_j-q_j)^2} </math>, где <math>p, q \in R^w.</math> | |||
=== Схема реализации последовательного алгоритма === | === Схема реализации последовательного алгоритма === | ||
''Псевдокод алгоритма'': | |||
'''Вход''' : Множество объектов <math>X</math> или матрица расстояний <math>D</math>, количество кластеров <math>k</math> | |||
'''Выход''' : Множество медоидов <math>M</math> | |||
0 Если на вход было подано множество объектов, необходимо предварительно вычислить матрицу расстояний; | |||
1 Инициализация множеств <math>M, O</math>; // фаза BUILD | |||
2 '''while (1)''' { // фаза SWAP | |||
3 Вычислить <math>F^i</math> и соответствующие ей <math>(x_{m_s}, x_{o_h})</math>;// вычисление проводить с учётом приведённой ранее оптимизации (см. 1.3 [[#Вычислительное ядро алгоритма|Вычислительное ядро алгоритма]]); | |||
4 Вычислить <math>T^i</math>; | |||
5 '''if''' (<math>T^i > 0</math>) { | |||
6 Обновить множества <math>M, O</math>; | |||
7 } '''else''' { | |||
8 '''break'''; | |||
9 } | |||
10 }; | |||
''Оптимизации'': | |||
* '''Предвычисление матрицы расстояний'''. Необходимо предварительно вычислить матрицу расстояний и сохранить её в памяти, так как в ходе вычисления алгоритма многократно используются всевозможные расстояния между элементами, а вычисление каждого из них является ресурсоёмкой операцией из нескольких умножений и одного извлечения квадратного корня. | |||
* '''Минимизация кеш-промахов'''. Матрица расстояний, к которой постоянно выполняется доступ на чтение для вычисления минимумов и их суммирования, должна храниться в памяти как матрица размера <math>n*n</math>, несмотря на то, что она симметрическая и достаточно хранить лишь половину матрицы (элементы над или под главной диагональю). Данная оптимизация потребует использования в 2 раза большего количества памяти для хранения расстояний (а это является главным расходом памяти программы, так как все остальные используемые данные являются временными (локальными для каждой операции) и представляют из себя несколько векторов длинной <math>n</math> элементов). Однако так как в данном алгоритме доступ к матрице осуществляется построчно (в [[#Вычислительное ядро алгоритма|вычислительном ядре алгоритма]] поэлементно ищутся минимумы 2-х векторов, после чего все они складываются), то в этом случае из матрицы можно будет читать данные по строкам подряд, что снижает количество кеш-промахов. Использование только половины матрицы приводит к частым промахам в кеше в связи с необходимостью часть векторов загружать по строкам, а часть - по столбцам. | |||
=== Последовательная сложность алгоритма === | === Последовательная сложность алгоритма === | ||
=== | Для вычисления '''матрицы расстояний''' требуется: | ||
* <math>\frac{n*(n-1)}{2}</math> операций вычисления расстояний; | |||
* сложность каждой операции вычисления расстояния (для случая использования Евклидовой метрики) равна <math>2*w-1</math> операций сложения и вычитания, <math>w</math> операций возведения в квадрат и <math>1</math> операции извлечения квадратного корня. | |||
На основании формулы из описания ядра на '''этапе BUILD''' определим сложность выполнения всего этапа. Обозначим: | |||
*<math>summs</math> - операция сложения двух вещественных чисел; | |||
*<math>mins</math> - операция нахождения минимума для двух вещественных чисел. | |||
Тогда, количество операций равно: | |||
<math>S = ( ( (n-1) summs ) * (n-1+1) + (n-1+1-1)mins) + \sum_{i = 2}^{k} ( ( (1 mins)*(n-1) + (n-1) summs ) * (n-i+1) + (n-i+1-1)mins) \Rightarrow</math> <br> | |||
<math> | |||
\Rightarrow S = | |||
\begin{cases} | |||
S(mins) = ( ( 0 ) * (n-1+1) + (n-1+1-1)mins) + \sum_{i = 2}^{k} ( ( (1 mins)*(n-1)) * (n-i+1) + (n-i+1-1)mins ) & \quad\\ | |||
S(summs) = \sum_{i = 1}^{k} ( ( (n-1) summs ) * (n-i+1) ) & \quad\\ | |||
\end{cases} | |||
\Rightarrow | |||
</math> <br> | |||
<math> | |||
\Rightarrow S = | |||
\begin{cases} | |||
S(mins) = n^2(k-1) - \frac{1}{2}(nk^2 - nk) + n - k & \quad\\ | |||
S(summs) = n^2k - \frac{1}{2}(nk^2 + nk - k^2 + k ) & \quad\\ | |||
\end{cases} | |||
</math> | |||
Таким образом, сложность фазы BUILD есть <math>O(kn^2)</math> как по количеству найденных минимумов, так и по количеству операций сложения. | |||
На основании формулы из описания ядра на '''этапе SWAP''' определим сложность вычисления целевой функции <math>F^i</math> при оптимизации процесса нахождения минимума (см. раздел [[#Вычислительное ядро алгоритма|Вычислительное ядро алгоритма]]). Количество операций равно: | |||
=== | <math>S = ( ( (1 mins)*(n-1) + (n-1) summs )*(n-k) + n*((k-1-1) mins) )*k \Rightarrow</math> <br> | ||
<math> | |||
\Rightarrow S = | |||
\begin{cases} | |||
S(mins) = ( ((1 mins)*(n-1) )*(n-k) + n*((k-1-1) mins) )*k = kn^2 - 3nk + k^2 & \quad\\ | |||
S(summs) = ( ( (n-1) summs )*(n-k) )*k = (n-1)(n-k)k & \quad\\ | |||
\end{cases} | |||
</math> | |||
Таким образом, сложность одной итерации фазы SWAP есть <math>O(kn^2)</math> как по количеству найденных минимумов, так и по количеству операция сложения. | |||
''' | Полученные оценки позволяют говорить о том, что PAM относится к алгоритмам '''с квадратичной сложностью'''. | ||
=== Информационный граф === | |||
=== Ресурс параллелизма алгоритма === | |||
=== Входные и выходные данные алгоритма === | |||
=== Свойства алгоритма === | === Свойства алгоритма === | ||
== Программная реализация алгоритма == | == Программная реализация алгоритма == | ||
Версия от 07:59, 12 октября 2016
Авторы: А.Э.Василенко, А.В.Тузикова
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Объединение схожих объектов в группы - один из важнейших видов человеческой деятельности[1]. Более того - это важная часть процесса познания мира, в котором мы живем. Мы учим детей различать кошек и собак, воду и песок, мужчин и женщин путем постоянного развития и улучшения подсознательных схем классификации. Примеры есть и во взрослой жизни – в химии необходимо классифицировать соединения, в археологии – объединять находки по периодам и т.д.
Задача кластеризации - разделение множества объектов на заданное число множеств с минимизацией некоторого функционала - является популярной задачей, относится к разделу машинного обучения и находит применение в таких областях, как анализ текста, биоинформатика, интеллектуальные транспортные системы и др. [2]
PAM (Partitioning Around Medoids) - плоский алгоритм кластеризации, позволяющй выделить [math]\displaystyle{ k }[/math] кластеров (множеств), удовлетворяющих следующим свойствам:
- каждая группа содержит хотя бы один объект;
- каждый объект принадлежит ровно одной группе.
Модель [3], лежащая в основе алгоритма PAM, основана на выборе [math]\displaystyle{ k }[/math] объектов, являющихся характерными точками соответствующего кластера. Таким образом, кластерам ставятся в соответствие принадлежащие им объекты, называемые медоидами, на основании которых распределяются остальные объекты по принципу наибольшего сходства. Cама модель называется моделью k-medoids (не путать с моделью k-median).
PAM состоит из двух фаз: BUILD и SWAP:
- на фазе BUILD выполняется первичная кластеризация, в ходе которой последовательно выбираются [math]\displaystyle{ k }[/math] объектов в качестве медоидов;
- фаза SWAP представляет собой итерационный процесс, в ходе которого производятся попытки улучшить множество медоидов. Алгоритм выполняет поиск пары объектов (медоид, не-медоид), минимизирующих целевую функцию при замене, после чего обновляет множество медоидов.
На каждой итерации алгоритма выбирается пара (медоид, не-медоид) такая, что замена медоида [math]\displaystyle{ x_{m_i} }[/math] на не-медоид [math]\displaystyle{ x_{o_h} }[/math] дает лучшую кластеризацию из возможных. Оценка кластеризации выполняется с помощью целевой функции, вычисляемой как сумма расстояний от каждого объекта до ближайшего медоида:
- [math]\displaystyle{ E = \sum_{j = 1}^n \min_{1 \leq i \leq k} \rho ( x_{m_i},x_{o_h} ) }[/math]
Процедура изменения множества медоидов повторяется, пока есть возможность улучшения значения целевой функции.
Математическое описание алгоритма
Исходные данные:
- множество кластеризуемых объектов [math]\displaystyle{ X = \{ x_1, x_2, ... , x_n \} }[/math], где [math]\displaystyle{ x_i }[/math] - кортеж, состоящий из [math]\displaystyle{ w }[/math] вещественных чисел;
- симметрическая матрица [math]\displaystyle{ D }[/math], элементы матрицы [math]\displaystyle{ d_{ij}=d(i,j) }[/math] - вычисленные расстояния между объектами [math]\displaystyle{ x_i, x_j }[/math];
- количество кластеров [math]\displaystyle{ k \leq n. }[/math]
Обозначения:
- [math]\displaystyle{ M = \{ x_{m_1}, x_{m_2}, ... , x_{m_k} \} }[/math] - множество медоидов, [math]\displaystyle{ M \subseteq X ; }[/math]
- [math]\displaystyle{ O = \{ x_{o_1}, x_{o_2}, ... , x_{o_r} \} }[/math] - множество не-медоидов, [math]\displaystyle{ O \subseteq X, }[/math] где [math]\displaystyle{ r=n-k; }[/math]
- [math]\displaystyle{ d_{ij}=\rho (x_i, x_j ) }[/math], где [math]\displaystyle{ \rho : X \times X \rightarrow R }[/math] — метрика расстояния;
- [math]\displaystyle{ F_{MO} = \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M} \rho ( x_{m_l},x_{o_j} ) }[/math] - значение целевой функции для заданных множеств [math]\displaystyle{ O }[/math] и [math]\displaystyle{ M; }[/math]
- [math]\displaystyle{ T^i }[/math] - изменение целевой функции на [math]\displaystyle{ i }[/math]-м шаге фазы SWAP.
Выходные данные:
- [math]\displaystyle{ M = \{ x_{m_1}, x_{m_2}, ... , x_{m_k} \} }[/math] - множество медоидов;
- [math]\displaystyle{ K_{m_i} = \{ x_{o_h} \in O \| x_{m_i} = \arg \min_{x_{m_s} \in M} \rho (x_{o_h}, x_{m_s}) \}, 1 \leq i \leq k }[/math] - искомые кластеры.
Вычислительные формулы метода:
- фаза BUILD (состоит из [math]\displaystyle{ k }[/math] шагов последовательного выбора [math]\displaystyle{ k }[/math] медоидов):
- [math]\displaystyle{ O_0 = X, M_0 = \varnothing ; }[/math]
- [math]\displaystyle{ x_{m_1} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_0} \sum_{j = 1}^n \rho \left ( x_{o_h},x_j \right ), O_1 = O_0 \backslash \{x_{m_1}\}, M_1 = M_1 \cup \{x_{m_1}\} ; }[/math]
- [math]\displaystyle{ x_{m_2} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_1} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \rho ( x_{m_1},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ), O_2 = O_1 \backslash \{x_{m_2}\}, M_2 = M_1 \cup \{x_{m_2}\} ; }[/math]
- [math]\displaystyle{ x_{m_3} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_2} \sum_{j = 1}^{n} \min_{1 \leq l \leq 2} ( \rho ( x_{m_l},x_j ) , \rho ( x_{o_h},x_j ) ) , O_3 = O_2 \backslash \{x_{m_3}\}, M_3 = M_3 \cup \{x_{m_3}\} ; }[/math]
- ...
- [math]\displaystyle{ x_{m_k} = \arg \min_{x_{o_h} \in O_{k-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{k-1}} ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ) , O_k = O_{k-1} \backslash \{x_{m_k}\}, M_k = M_{k-1} \cup \{x_{m_k}\} ; }[/math]
- фаза SWAP (итерационный процесс):
- начальное приближение: [math]\displaystyle{ O_0 = O_k^{BUILD}, M_0 = M_k^{BUILD}; }[/math]
- [math]\displaystyle{ i }[/math]-й шаг итерации:
- вычисление целевой функции при оптимальной замене (замене, при которой достигается лучшая кластеризация из возможных на текущей итерации):
[math]\displaystyle{ F^i = \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} , x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j) ); }[/math] - определение пары (медоид, не-медоид), на которой достигается оптимальная замена:
[math]\displaystyle{ (x_{m_s}, x_{o_h}) = \arg F^i; }[/math] - проверка критерия останова;
- изменение множеств в соответствии с выбранной парой [math]\displaystyle{ (x_{m_s}, x_{o_h}): }[/math]
[math]\displaystyle{ M_i = M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} \cup \{x_{o_h}\} , O_i = O_{i-1} \cup \{x_{m_s}\} \backslash \{x_{o_h}\} ; }[/math]
- вычисление целевой функции при оптимальной замене (замене, при которой достигается лучшая кластеризация из возможных на текущей итерации):
- критерий останова:
- [math]\displaystyle{ T^i = F^{i-1} - F^{i} \leq 0 . }[/math]
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительное ядро алгоритма PAM на этапе BUILD состоит из множественных вычислений значений целевой функции при различных вариантах выбора дополнительного медоида (шаг алгоритма [math]\displaystyle{ 1 \leq i \leq k }[/math]):
[math]\displaystyle{ F^i = \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1}} ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j ) ) = \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \overline{MIN}_{i, x_{o_h}}^{(j)}. }[/math]
Где:
- [math]\displaystyle{ \overline{MIN}_{1, x_{o_h} \in O_0} = \{ \rho (x_{o_h}, x_j ) \| 1 \leq j \leq n \}; }[/math]
- [math]\displaystyle{ \overline{MIN}_{i, x_{o_h} \in O_{i-1}} = \{ \min ( \overline{MIN}_{i-1, x_{m_{i-1}}}^{(j)}, \rho (x_{o_h}, x_j) ) \| 1 \leq j \leq n \}, \forall i: 1 \lt i \leq k. }[/math]
Таким образом, на каждой последующей итерации можно использовать величину, вычисленную на предыдущем шаге, что позволяет сократить число вычислений минимумов.
С каждой итерацией количество вариантов выбора дополнительных медоидов уменьшается на единицу, таким образом, на [math]\displaystyle{ i }[/math]-м шаге целевую функцию нужно вычислить лишь [math]\displaystyle{ |O_{i-1}| = n-i+1 }[/math] раз.
Вычислительное ядро алгоритма PAM на этапе SWAP состоит из множественных вычислений значений целевой функции при различных вариантах замены некоторого существующего медоида на элемент из числа не-медоидов ([math]\displaystyle{ i }[/math]-я итерация фазы SWAP):
[math]\displaystyle{ F^i = \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} , x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j ), \rho ( x_{o_h},x_j) ) = }[/math]
[math]\displaystyle{ = \min_{x_{m_s} \in M_{i-1} } \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )) , \rho ( x_{o_h},x_j) ) }[/math]
Таким образом, при поиске пары (медоид, не-медоид), наилучшим образом минимизирующей целевую функцию, происходит поиск минимума по всем возможным элементам [math]\displaystyle{ x_{o_h} }[/math], для которых вычисляется [math]\displaystyle{ \sum_{j = 1}^{n} \min (a, b) }[/math], где [math]\displaystyle{ a }[/math] есть [math]\displaystyle{ \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )), }[/math] и является инвариантом по отношению к [math]\displaystyle{ \min_{x_{o_h} \in O_{i-1}} \sum_{j = 1}^{n} \min ( \min_{ x_{m_l} \in M_{i-1} \backslash \{x_{m_s}\} } ( \rho ( x_{m_l},x_j )) , \rho ( x_{o_h},x_j) ), }[/math] что позволяет сократить количество вычисляемых минимумов.
Макроструктура алгоритма
Нахождение расстояния между двумя объектами [math]\displaystyle{ \rho \left ( p, q \right ) }[/math] является макрооперацией в том случае, если на вход алгоритму подавалась не матрица расстояний, а набор точек с их координатами в пространстве [math]\displaystyle{ R^w }[/math]. В этом случае может быть использована, например, евклидова метрика:
- [math]\displaystyle{ d(p,q)=\sqrt{(p_1-q_1)^2+(p_2-q_2)^2+\dots+(p_w-q_w)^2} = \sqrt{\sum_{j=1}^w (p_j-q_j)^2} }[/math], где [math]\displaystyle{ p, q \in R^w. }[/math]
Схема реализации последовательного алгоритма
Псевдокод алгоритма:
Вход : Множество объектов [math]\displaystyle{ X }[/math] или матрица расстояний [math]\displaystyle{ D }[/math], количество кластеров [math]\displaystyle{ k }[/math] Выход : Множество медоидов [math]\displaystyle{ M }[/math] 0 Если на вход было подано множество объектов, необходимо предварительно вычислить матрицу расстояний; 1 Инициализация множеств [math]\displaystyle{ M, O }[/math]; // фаза BUILD 2 while (1) { // фаза SWAP 3 Вычислить [math]\displaystyle{ F^i }[/math] и соответствующие ей [math]\displaystyle{ (x_{m_s}, x_{o_h}) }[/math];// вычисление проводить с учётом приведённой ранее оптимизации (см. 1.3 Вычислительное ядро алгоритма); 4 Вычислить [math]\displaystyle{ T^i }[/math]; 5 if ([math]\displaystyle{ T^i \gt 0 }[/math]) { 6 Обновить множества [math]\displaystyle{ M, O }[/math]; 7 } else { 8 break; 9 } 10 };
Оптимизации:
- Предвычисление матрицы расстояний. Необходимо предварительно вычислить матрицу расстояний и сохранить её в памяти, так как в ходе вычисления алгоритма многократно используются всевозможные расстояния между элементами, а вычисление каждого из них является ресурсоёмкой операцией из нескольких умножений и одного извлечения квадратного корня.
- Минимизация кеш-промахов. Матрица расстояний, к которой постоянно выполняется доступ на чтение для вычисления минимумов и их суммирования, должна храниться в памяти как матрица размера [math]\displaystyle{ n*n }[/math], несмотря на то, что она симметрическая и достаточно хранить лишь половину матрицы (элементы над или под главной диагональю). Данная оптимизация потребует использования в 2 раза большего количества памяти для хранения расстояний (а это является главным расходом памяти программы, так как все остальные используемые данные являются временными (локальными для каждой операции) и представляют из себя несколько векторов длинной [math]\displaystyle{ n }[/math] элементов). Однако так как в данном алгоритме доступ к матрице осуществляется построчно (в вычислительном ядре алгоритма поэлементно ищутся минимумы 2-х векторов, после чего все они складываются), то в этом случае из матрицы можно будет читать данные по строкам подряд, что снижает количество кеш-промахов. Использование только половины матрицы приводит к частым промахам в кеше в связи с необходимостью часть векторов загружать по строкам, а часть - по столбцам.
Последовательная сложность алгоритма
Для вычисления матрицы расстояний требуется:
- [math]\displaystyle{ \frac{n*(n-1)}{2} }[/math] операций вычисления расстояний;
- сложность каждой операции вычисления расстояния (для случая использования Евклидовой метрики) равна [math]\displaystyle{ 2*w-1 }[/math] операций сложения и вычитания, [math]\displaystyle{ w }[/math] операций возведения в квадрат и [math]\displaystyle{ 1 }[/math] операции извлечения квадратного корня.
На основании формулы из описания ядра на этапе BUILD определим сложность выполнения всего этапа. Обозначим:
- [math]\displaystyle{ summs }[/math] - операция сложения двух вещественных чисел;
- [math]\displaystyle{ mins }[/math] - операция нахождения минимума для двух вещественных чисел.
Тогда, количество операций равно:
[math]\displaystyle{ S = ( ( (n-1) summs ) * (n-1+1) + (n-1+1-1)mins) + \sum_{i = 2}^{k} ( ( (1 mins)*(n-1) + (n-1) summs ) * (n-i+1) + (n-i+1-1)mins) \Rightarrow }[/math]
[math]\displaystyle{
\Rightarrow S =
\begin{cases}
S(mins) = ( ( 0 ) * (n-1+1) + (n-1+1-1)mins) + \sum_{i = 2}^{k} ( ( (1 mins)*(n-1)) * (n-i+1) + (n-i+1-1)mins ) & \quad\\
S(summs) = \sum_{i = 1}^{k} ( ( (n-1) summs ) * (n-i+1) ) & \quad\\
\end{cases}
\Rightarrow
}[/math]
[math]\displaystyle{
\Rightarrow S =
\begin{cases}
S(mins) = n^2(k-1) - \frac{1}{2}(nk^2 - nk) + n - k & \quad\\
S(summs) = n^2k - \frac{1}{2}(nk^2 + nk - k^2 + k ) & \quad\\
\end{cases}
}[/math]
Таким образом, сложность фазы BUILD есть [math]\displaystyle{ O(kn^2) }[/math] как по количеству найденных минимумов, так и по количеству операций сложения.
На основании формулы из описания ядра на этапе SWAP определим сложность вычисления целевой функции [math]\displaystyle{ F^i }[/math] при оптимизации процесса нахождения минимума (см. раздел Вычислительное ядро алгоритма). Количество операций равно:
[math]\displaystyle{ S = ( ( (1 mins)*(n-1) + (n-1) summs )*(n-k) + n*((k-1-1) mins) )*k \Rightarrow }[/math]
[math]\displaystyle{
\Rightarrow S =
\begin{cases}
S(mins) = ( ((1 mins)*(n-1) )*(n-k) + n*((k-1-1) mins) )*k = kn^2 - 3nk + k^2 & \quad\\
S(summs) = ( ( (n-1) summs )*(n-k) )*k = (n-1)(n-k)k & \quad\\
\end{cases}
}[/math]
Таким образом, сложность одной итерации фазы SWAP есть [math]\displaystyle{ O(kn^2) }[/math] как по количеству найденных минимумов, так и по количеству операция сложения.
Полученные оценки позволяют говорить о том, что PAM относится к алгоритмам с квадратичной сложностью.
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
- Нейский И. М. Классификация и сравнение методов кластеризации //ББК 32.813 И 76 Составитель: ЮН Филиппович. – 2006. – С. 130.
- ↑ Rousseeuw P. J., Kaufman L. Finding Groups in Data. – Wiley Online Library, 1990.
- ↑ Речкалов Т.В. Параллельный алгоритм кластеризации для многоядерного сопроцессора Intel Xeon Phi // Суперкомпьютерные дни в России: Труды vеждународной конференции. – М.: Изд-во МГУ, 2015, c. 532.
- ↑ Kaufman, L. and Rousseeuw, P.J., Clustering by means of Medoids. In: Y. Dodge and North-Holland, editor. Statistical Data Analysis Based on the L1-Norm and Related Methods. Springer US; 1987, p. 405–416.