K-means算法通俗原理及Python与R语言的分别实现
K均值聚类方法是一种划分聚类方法，它是将数据分成互不相交的K类。K均值法先指定聚类数，目标是使每个数据到数据点所属聚类中心的总距离变异平方和最小，规定聚类中心时则是以该类数据点的平均值作为聚类中心。
01K均值法原理与步骤
对于有N个数据的数据集，我们想把它们聚成K类，开始需要指定K个聚类中心，假设第i类有ni个样本数据，计算每个数据点分别到聚类中心的距离平方和，距离这里直接用的欧式距离，还有什么海明距离、街道距离、余弦相似度什么的其实都可以，这里聚类的话，欧式距离就好。
（1）、所有类别样本数等于总样本数，即每个类类是互不相同的
（2）、每一类(假设是第i类)中数据点到聚类中心距离平方总和di为：
xi表示第i类各点平均值（聚类中心）
（3）、K类数据点距离之和为
这样就会有一个KN的距离平方和矩阵，每一列（比如第j列）的最小值对应的行数（比如第i行）就表明：第j个数据样本属于第i类别。这样，每个数据就会分别属于不同的类别了。
比如，表格中红色部分数据点x2到第一类的聚类中心距离最小，则x2就属于第一类。
K均值步骤：
- 随机选取K个数据点作为（起始）聚类中心；
- 按照距离最近原则分配数据点到对应类；
- 计算每类的数据点平均值（新的聚类中心）；
- 计算数据点到聚类中心总距离；
- 如果与上一次相比总距离下降，聚类中心替换；
- 直到总距离不再下降或者达到指定计算次数。
其实，这个过程相对比较简单，给我一组聚类中心，总能根据到聚类中心距离最小原则生成一组聚类方案，然后计算各个类别到聚类中心距离总和是否下降，如果距离总和下降，就继续计算每类数据点平均值（新的聚类中心），对应的聚类方案要好（还是那句话：给我一组聚类中心，总能根据到聚类中心距离最小原则生成一组聚类方案），然后不断计算，直到距离总和下降幅度很小（几乎收敛），或者达到指定计算次数。
K-means算法缺点主要是：
- 对异常值敏感；
- 需要提前确定k值；
- 结果不稳定；
02 K均值算法Python的实现
思路：
- 首先用random模块产生随机聚类中心；
- 用numpy包简化运算；
- 写了一个函数实现一个中心对应一种聚类方案；
- 不断迭代；
- matplotlib包结果可视化。
代码如下：
import numpy as npimport random as rdimport matplotlib.pyplot as pltimport math#数据dat = np.array([[14,22,15,20,30,18,32,13,23,20,21,22,23,24,35,18], [15,28,18,30,35,20,30,15,25,23,24,25,26,27,30,16]])print(dat)#聚类中心#n = len(dat[0])N = len(dat)nk = 3#-------随机产生-----#center = rd.sample(range(n),k)center = np.array([dat.T[i] for i in center])print(‘初始聚类中心为：’)print(center)print(‘-----------------------’) #计算聚类中心def cent(x): return(sum(x)/len(x)) #计算各点到聚类中心的距离之和def dist(x): #聚类中心 m0 = cent(x) dis = sum(sum((x-m0)2)) return(dis) #距离def f(center): c0 = [] c1 = [] c2 = [] D = np.arange(k*n).reshape(k,n) d0 = center[0]-dat.T d1 = center[1]-dat.T d2 = center[2]-dat.T d = np.array([d0,d1,d2]) for i in range(k): D[i] = sum((d[i]2).T) for i in range(n): ind = D.T[i].argmin() if(ind 0): c0.append(i)#分配类别 else: if(ind 1): c1.append(i) else: c2.append(i) C0 = np.array([dat.T[i] for i in c0]) C1 = np.array([dat.T[i] for i in c1]) C2 = np.array([dat.T[i] for i in c2]) C = [C0,C1,C2] print([c0,c1,c2]) s = 0 for i in C: s+=dist(i) return(s,C) n_max = 50#初始距离和print(‘第1次计算！’)dd,C = f(center)print(‘距离和为’+str(dd))print(‘第2次计算！’)center = [cent(i) for i in C]Dd,C = f(center)print(‘距离和为’+str(Dd))K = 3 while(K<n_max): #两次差值很小并且计算了一定次数 if(math.sqrt(dd-Dd)<1 and K>20): break; print(‘第’+str(K)+‘次计算！’) dd = Dd print(‘距离和为’+str(dd)) #当前聚类中心 center = [cent(i) for i in C] Dd,C = f(center) K+=1 #—聚类结果可视化部分—# j = 0for i in C: if(j 0): plt.plot(i.T[0],i.T[1],‘ro’) if(j 1): plt.plot(i.T[0],i.T[1],‘b+’) if(j == 2): plt.plot(i.T[0],i.T[1],‘g*’) j+=1 plt.show()（1）：聚类成功的例子：
对于不合适的初始随机聚类中心，一般而言不会失败，成功次数较多。
可以看出，其实第五次就收敛了，共分成了三类。它们的标签序号为：
第一类：[1, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 13]；
第二类：[4, 6, 14]；
第三类：[0, 2, 5, 7, 15]
聚类图：
聚类结果与实际情况一致
（2）：聚类失败的例子：
有时候可能会失败，运行实验了三次出现了一次败笔，迭代过程如下：
散点图：
聚类失败图
显然，由于初始点的随机选取不当，导致聚类严重失真！这聚类效果明显就很差，表明随机产生的初始聚类中心应该不合适，最后不管怎么迭代，都不可能生成合适的聚类了，这与k-means算法的原理确实可以解释的。这就是k-means的最显著的缺点！
03K均值算法的R语言实现
用的还是上面程序一样的数据，R语言聚类就很方便，直接调用kmeans(data,聚类数)就能方便完成：
rm(list = ls())path <- ‘C:\Users\26015\Desktop\clu.txt’dat <- read.csv(path,header = FALSE)dat <- t(dat)kc <- kmeans(dat,3)summary(kc)kc查看聚类结果：
K-means clustering with 3 clusters of sizes 8, 3, 5 Cluster means: [,1] [,2]1 21.87500 26.000002 32.33333 31.666673 15.60000 16.80000聚成3类，分别有8，3，5个数据
Clustering vector:
V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9
3 1 3 1 2 3 2 3 1
V10 V11 V12 V13 V14 V15 V16
1 1 1 1 1 2 3
第一类：2，4，9，10，11，12，13，14
第二类：1，3，6，8，16；
第三类：5，7，15
由于Python下标是从“0”开始，所以两种方法聚类结果实际上是一样的！
腾讯云开发者
