展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > 使用Python代码解析层次聚类算法

使用Python代码解析层次聚类算法

首先要说,聚类属于机器学习的无监督学习,而且也分很多种方法,比如大家熟知的有K-means。层次聚类也是聚类中的一种,也很常用。下面我先简单回顾一下K-means的基本原理,然后慢慢引出层次聚类的定义和分层步骤,这样更有助于大家理解。层次聚类和K-means有什么不同?K-means工作原理可以简要概述为:决定簇数(k)从数据中随机选取k个点作为质心将所有点分配到最近的聚类质心计算新形成的簇的质心重复步骤3和4这是一个迭代过程,直到新形成的簇的质心不变,或者达到最大迭代次数。但是K

使用Python代码解析层次聚类算法

首先要说,聚类属于机器学习的无监督学习,而且也分很多种方法,比如大家熟知的有K-means。层次聚类也是聚类中的一种,也很常用。下面我先简单回顾一下K-means的基本原理,然后慢慢引出层次聚类的定义和分层步骤,这样更有助于大家理解。

层次聚类和K-means有什么不同?

K-means 工作原理可以简要概述为:

  • 决定簇数(k)
  • 从数据中随机选取 k 个点作为质心
  • 将所有点分配到最近的聚类质心
  • 计算新形成的簇的质心
  • 重复步骤 3 和 4

这是一个迭代过程,直到新形成的簇的质心不变,或者达到最大迭代次数。

但是 K-means 是存在一些缺点的,我们必须在算法开始前就决定簇数 K 的数量,但实际我们并不知道应该有多少个簇,所以一般都是根据自己的理解先设定一个值,这就可能导致我们的理解和实际情况存在一些偏差。

层次聚类完全不同,它不需要我们开始的时候指定簇数,而是先完整的形成整个层次聚类后,通过决定合适的距离,自动就可以找到对应的簇数和聚类。

什么是层次聚类?

下面我们由浅及深的介绍什么是层次聚类,先来一个简单的例子。

假设我们有以下几点,我们想将它们分组:

使用Python代码解析层次聚类算法

我们可以将这些点中的每一个分配给一个单独的簇,就是4个簇(4种颜色):

使用Python代码解析层次聚类算法

然后基于这些簇的相似性(距离),将最相似的(距离最近的)点组合在一起并重复这个过程,直到只剩下一个集群:

使用Python代码解析层次聚类算法

上面本质上就是在构建一个层次结构。先了解到这里,后面我们详细介绍它的分层步骤。

层次聚类的类型

主要有两种类型的层次聚类:

  • 凝聚层次聚类
  • 分裂层次聚类

凝聚层次聚类

先让所有点分别成为一个单独的簇,然后通过相似性不断组合,直到最后只有一个簇为止,这就是凝聚层次聚类的过程,和我们上面刚刚说的一致。

分裂层次聚类

分裂层次聚类正好反过来,它是从单个集群开始逐步分裂,直到无法分裂,即每个点都是一个簇。

所以无论是 10、100、1000 个数据点都不重要,这些点在开始的时候都属于同一个簇:

使用Python代码解析层次聚类算法

现在,在每次迭代中拆分簇中相隔最远的两点,并重复这个过程,直到每个簇只包含一个点:

使用Python代码解析层次聚类算法

上面的过程就是分裂层次聚类。

执行层次聚类的步骤

上面已经说了层次聚类的大概过程,那关键的来了,如何确定点和点的相似性呢?

这是聚类中最重要的问题之一了,一般计算相似度的方法是:计算这些簇的质心之间的距离。距离最小的点称为相似点,我们可以合并它们,也可以将其称为基于距离的算法。

另外在层次聚类中,还有一个称为邻近矩阵的概念,它存储了每个点之间的距离。下面我们通过一个例子来理解如何计算相似度、邻近矩阵、以及层次聚类的具体步骤。

案例介绍

假设一位老师想要将学生分成不同的组。现在有每个学生在作业中的分数,想根据这些分数将他们分成几组。关于拥有多少组,这里没有固定的目标。由于老师不知道应该将哪种类型的学生分配到哪个组,因此不能作为监督学习问题来解决。下面,我们将尝试应用层次聚类将学生分成不同的组。

下面是个5名学生的成绩:

使用Python代码解析层次聚类算法

创建邻近矩阵

首先,我们要创建一个邻近矩阵,它储存了每个点两两之间的距离,因此可以得到一个形状为 n X n 的方阵。

这个案例中,可以得到以下 5 x 5 的邻近矩阵:

使用Python代码解析层次聚类算法

矩阵里有两点需要注意下:

  • 矩阵的对角元素始终为 0,因为点与其自身的距离始终为 0
  • 使用欧几里得距离公式来计算非对角元素的距离

比如,我们要计算点 1 和 2 之间的距离,计算公式为:

使用Python代码解析层次聚类算法

同理,按此计算方法完成后填充邻近矩阵其余元素。

执行层次聚类

这里使用凝聚层次聚类来实现。

步骤 1:首先,我们将所有点分配成单个簇:

使用Python代码解析层次聚类算法

这里不同的颜色代表不同的簇,我们数据中的 5 个点,即有 5 个不同的簇。

步骤2:接下来,我们需要查找邻近矩阵中的最小距离并合并距离最小的点。然后我们更新邻近矩阵:

使用Python代码解析层次聚类算法

最小距离是 3,因此我们将合并点 1 和 2:

使用Python代码解析层次聚类算法

让我们看看更新的集群并相应地更新邻近矩阵:

使用Python代码解析层次聚类算法

更新之后,我们取了1、2 两个点中值 (7, 10) 最大的来替换这个簇的值。当然除了最大值之外,我们还可以取最小值或平均值。然后,我们将再次计算这些簇的邻近矩阵:

使用Python代码解析层次聚类算法

第 3 步:重复第 2 步,直到只剩下一个簇。

重复所有的步骤后,我们将得到如下所示的合并的聚类:

使用Python代码解析层次聚类算法

这就是凝聚层次聚类的工作原理。但问题是我们仍然不知道该分几组?是2、3、还是4组呢?

下面开始介绍如何选择聚类数。

如何选择聚类数?

为了获得层次聚类的簇数,我们使用了一个概念,叫作树状图。

通过树状图,我们可以更方便的选出聚类的簇数。

回到上面的例子。当我们合并两个簇时,树状图会相应地记录这些簇之间的距离并以图形形式表示。下面这个是树状图的原始状态,横坐标记录了每个点的标记,纵轴记录了点和点之间的距离:

使用Python代码解析层次聚类算法

当合并两个簇时,将会在树状图中连接起来,连接的高度就是点之间的距离。下面是我们刚刚层次聚类的过程。

使用Python代码解析层次聚类算法

然后开始对上面的过程进行树状图的绘制。从合并样本 1 和 2 开始,这两个样本之间的距离为 3。

使用Python代码解析层次聚类算法

可以看到已经合并了 1 和 2。垂直线代表 1 和 2 的距离。同理,按照层次聚类过程绘制合并簇类的所有步骤,最后得到了这样的树状图:

使用Python代码解析层次聚类算法

通过树状图,我们可以清楚地形象化层次聚类的步骤。树状图中垂直线的距离越远代表簇之间的距离越大。

有了这个树状图,我们决定簇类数就方便多了。

现在我们可以设置一个阈值距离,绘制一条水平线。比如我们将阈值设置为 12,并绘制一条水平线,如下:

使用Python代码解析层次聚类算法

从交点中可以看到,聚类的数量就是与阈值水平线与垂直线相交的数量(红线与 2 条垂直线相交,我们将有 2 个簇)。与横坐标相对应的,一个簇将有一个样本集合为 (1,2,4),另一个集群将有一个样本集合 (3,5)。

这样,我们就通过树状图解决了分层聚类中要决定聚类的数量。

Python代码实战案例

上面是理论基础,有点数学基础都能看懂。下面介绍下在如何用代码Python来实现这一过程。这里拿一个客户细分的数据来展示一下。

数据集和代码在我的GitHub仓库里:

​​https://github.com/xiaoyusmd/PythonDataScience​​

如果觉得有帮助,还请给个star!

这个数据来源于UCI 机器学习库。我们的目的是根据批发分销商的客户在不同产品类别(如牛奶、杂货、地区等)上的年度支出,对他们进行细分。

首先对数据进行一个标准化,为了让所有数据在同一个维度便于计算,然后应用层次聚类来细分客户。

from sklearn.preprocessing import normalize
data_scaled = normalize(data)
data_scaled = pd.DataFrame(data_scaled, columns=data.columns)
import scipy.cluster.hierarchy as shc
plt.figure(figsize=(10, 7))
plt.title("Dendrograms")
dend = shc.dendrogram(shc.linkage(data_scaled, method='ward'))

使用Python代码解析层次聚类算法

x 轴包含了所有样本,y 轴代表这些样本之间的距离。距离最大的垂直线是蓝线,假如我们决定要以阈值 6 切割树状图:

plt.figure(figsize=(10, 7))
plt.title("Dendrograms")
dend = shc.dendrogram(shc.linkage(data_scaled, method='ward'))
plt.axhline(y=6, color='r', linestyle='--')

使用Python代码解析层次聚类算法

现在我们有两个簇了,我们要对这 2 个簇应用层次聚类:

from sklearn.cluster import AgglomerativeClustering
cluster = AgglomerativeClustering(n_clusters=2, affinity='euclidean', linkage='ward')
cluster.fit_predict(data_scaled)

使用Python代码解析层次聚类算法

由于我们定义了 2 个簇,因此我们可以在输出中看到 0 和 1 的值。0 代表属于第一个簇的点,1 代表属于第二个簇的点。 

plt.figure(figsize=(10, 7))
plt.scatter(data_scaled['Milk'], data_scaled['Grocery'], c=cluster.labels_)

使用Python代码解析层次聚类算法

到这里我们就成功的完成了聚类。

本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
作者最新文章
编程开发 Python
相关文章 更多
精品专题 更多
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

Mac软件 更多
Shapr3D macOS版
Shapr3D macOS版

Shapr3D是一款面向工业设计、机械工程、建筑概念和三维打印工作流的CAD软件。Mac版采用Parasolid建模内核,支持草图约束、实体建模、工程图、可视化渲染及常见CAD格式交换,并可通过账户在多台设备之间同步项目。

REAPER macOS版
REAPER macOS版

REAPER是Cockos开发的数字音频工作站,提供多轨音频与MIDI录制、剪辑、处理、混音和母带制作工具。Mac版兼容Intel与Apple芯片,支持AU、VST、VST3、CLAP等插件格式,并提供高度可定制的工作流程。

Ableton Live macOS版
Ableton Live macOS版

Ableton Live 是面向音乐制作人与现场表演者的数字音频工作站,提供编曲视图、独具特色的现场视图、音频录制、MIDI创作、实时变速、乐器及效果器。Mac版原生支持Apple芯片,并可连接音频接口、MIDI控制器和第三方插件。

Adobe After Effects macOS版
Adobe After Effects macOS版

Adobe After Effects 是面向动态图形、影视特效与视频合成的专业创作软件。它提供关键帧动画、遮罩抠像、运动跟踪、三维空间、文字动画和表达式等工具,并可与 Premiere Pro、Photoshop、Illustrator

Adobe Audition macOS版
Adobe Audition macOS版

Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站,提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具,并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。

Adobe Bridge macOS版
Adobe Bridge macOS版

Adobe Bridge 是面向摄影师、设计师及内容团队的免费数字资产管理工具,可集中预览照片、视频和 Adobe 项目文件,并利用评级、标签、关键词、元数据、筛选与收藏集完成分类检索。它还支持批量重命名、格式导出、相机导入及 Camera

Adobe Illustrator macOS版
Adobe Illustrator macOS版

Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件,适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形,并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。

Adobe InDesign macOS版
Adobe InDesign macOS版

Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件,可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。

Adobe Lightroom Classic macOS版
Adobe Lightroom Classic macOS版

Adobe Lightroom Classic 是面向桌面摄影工作流的照片管理与后期处理软件,可将原始照片保存在本地硬盘,通过目录、关键词、评分和收藏夹高效整理图库,并提供 RAW 冲印、蒙版、镜头校正、批量同步及多格式导出等功能。

Adobe Media Encoder macOS版
Adobe Media Encoder macOS版

Adobe Media Encoder 是 Adobe 推出的专业音视频编码与转码工具,可通过队列、预设和监视文件夹批量完成格式转换、代理文件创建及多平台成片输出,并与 Premiere Pro、After Effects 等软件紧密协作。

Adobe Photoshop macOS版
Adobe Photoshop macOS版

Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理软件,提供图层、蒙版、选区、修复、调色、文字排版、智能对象及生成式编辑等能力。Mac 版支持 Intel 与 Apple Silicon 处理器。

Adobe Premiere Pro macOS版
Adobe Premiere Pro macOS版

Adobe Premiere Pro 是面向专业视频制作的非线性剪辑软件,提供多轨时间线、调色、音频处理、字幕、代理工作流和多格式输出能力,并可与 After Effects、Audition、Photoshop 及 Frame.io 协同

WINDOWS 更多
3dmax(3ds max)
3dmax(3ds max)

Autodesk 3ds Max 是一款专业的三维建模、动画与渲染软件,广泛应用于建筑可视化、游戏开发、影视动画、广告设计和产品展示等领域。

photoshop
photoshop

Photoshop 2026 是 Adobe 推出的专业图像处理与视觉设计软件,支持 Windows、macOS 和 iPad 等平台,广泛应用于摄影修图、电商设计、平面海报、数字绘画及视觉合成等创作场景。

Blender
Blender

Blender 是一款免费开源、跨平台的专业 3D 创作软件,集建模、动画、渲染、视频编辑与视觉合成等功能于一体,广泛应用于影视动画、游戏设计和建筑可视化等领域。软件支持 Cycles 物理渲染器与 Eevee 实时渲染引擎,并提供多边形建模、骨骼绑定、物理模拟等专业工具。Blender 兼容 Windows、macOS 和 Linux 系统,安装包轻巧、运行流畅,依托活跃的全球开发者社区持续更新,是从初学者到专业创作者都值得选择的正版 3D 创作工具。

Windows 10
Windows 10

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

傲梅轻松备份
傲梅轻松备份

傲梅轻松备份是一款专业易用的数据备份软件,为重要数据提供安全保障。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

Office 365简体中文
Office 365简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

Wise Folder Hider Pro
Wise Folder Hider Pro

Wise Folder Hider Pro 是一款专业级文件和文件夹隐藏加密软件,为私密数据添加多重保护。高频操作更强调就近处理,浏览、整理和跨目录移动文件时,来回切换和重复点击都会少很多。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。