r语言聚类分析：k-means和层次聚类

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聚类分析算法很多，比较经典的有k-means和层次聚类法。

k-means聚类分析算法

k-means的k就是最终聚集的簇数，这个要你事先自己指定。k-means在常见的机器学习算法中算是相当简单的，基本过程如下：

  • 首先任取k个样本点作为k个簇的初始中心；

  • 对每一个样本点，计算它们与k个中心的距离，把它归入距离最小的中心所在的簇；

  • 等到所有的样本点归类完毕，重新计算k个簇的中心；

  • 重复以上过程直至样本点归入的簇不再变动。

k-means的聚类过程演示如下：

k-means聚类过程

k-means聚类分析的原理虽然简单，但缺点也比较明显：

  • 首先聚成几类这个k值你要自己定，但在对数据一无所知的情况下你自己也不知道k应该定多少；

  • 初始质心也要自己选，而这个初始质心直接决定最终的聚类效果；

  • 每一次迭代都要重新计算各个点与质心的距离，然后排序，时间成本较高。

值得一提的是，计算距离的方式有很多种，不一定非得是笛卡尔距离；计算距离前要归一化。

层次聚类法

尽管k-means的原理很简单，然而层次聚类法的原理更简单。它的基本过程如下：

  • 每一个样本点视为一个簇；

  • 计算各个簇之间的距离，最近的两个簇聚合成一个新簇；

  • 重复以上过程直至最后只有一簇。

层次聚类不指定具体的簇数，而只关注簇之间的远近，最终会形成一个树形图。

层次聚类示例

通过这张树形图，无论想划分成几个簇都可以很快地划出。

以下以癌细胞细据为例，演示K-means和层次聚类法的过程。




nci.labels = NCI60$labsnci.data = NCI60$datasd.data = scale(nci.data)data.dist = dist(sd.data)plot(hclust(data.dist),labels = nci.labels, main = "Complete Linkage", xlab = "", sub = "", ylab = "") # 默认按最长距离聚类plot(hclust(data.dist,method = "average"),labels = nci.labels, main = "Average Linkage", xlab = "", sub = "", ylab = "") # 类平均法> plot(hclust(data.dist),labels = nci.labels, main = "Single Linkage", xlab = "", sub = "", ylab = "") #最短距离法

Complete Linkage

Average Linkage

Single Linkage

可见选择不同的距离指标，最终的聚类效果也不同。其中最长距离和类平均距离用得比较多，因为产生的谱系图较为均衡。


> # 指定聚类数> hc.out = hclust(dist(sd.data))> hc.clusters = cutree(hc.out,4)



> plot(hc.out,labels = nci.labels) > abline(h=139,col="red") # 切割成4类

层次聚类划分成4类

图中一条红线将簇划分成4类，很容易看出哪些样本各属于哪一簇。

以上是层次聚类法的结果，但如果用k-means聚类的话，结果很可能就不一样了。


> # k-means聚类> set.seed(2)> km.out = kmeans(sd.data,4,nstart = 20)> km.clusters = km.out$cluster> table(km.clusters,hc.clusters) # 两种聚类结果的确有差异，k-means的第2簇与层次聚类的第3簇一致
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