km

Author: KevinZonda

Clustering/K-means.md

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+# K均值 K-means
+
+[Material Adapted from Dr. Shuo Wang @ UoB]
+
+K均值算法的核心思想是用平均值描述每个聚类。对于聚类 $c$，其平均值被定义为
+
+$$
+\mu_c = \frac{1}{|c|}\sum_{\mathbf{x}\in c}\mathbf{x}
+$$
+
+其算法目标是最小化所有聚类的聚类内方差。我们可以将方差认为是所有点到均值的距离的平方和。
+
+## 算法
+
+K 均值算法并不复杂。其步骤如下：
+
+我们以 $K=2$ 为例：
+
+**步骤 1：初始化聚类并分配**
+
+随机初始化 $K$ 个聚类中心 $\mu_1, \mu_2, ..., \mu_K$。如图，我们初始化两个聚类中心。
+
+对于每个数据点 $\mathbf{x}$，计算其到每个聚类中心的距离，然后将其分配到距离最近的聚类中心。
+
+![](./img/KM-1.png)
+
+**步骤 2：调整聚类中心**
+
+根据每个聚类中的数据点，计算其不同维度的平均值，然后将其作为新的聚类中心。
+
+![](./img/KM-2.png)
+
+**步骤 3：重新分配数据点**
+
+和步骤 1 类似，我们重新计算每个数据点到新的聚类中心的距离，然后重新分配数据点到最近的聚类中心点。
+
+![](./img/KM-3.png)
+
+**步骤 4：重新调整聚类中心**
+
+和步骤 2 一致，我们重新计算每个聚类中心的平均值作为新的聚类中心。
+
+![](./img/KM-4.png)
+
+**步骤 5：重复**
+
+重复步骤 3 和 4 直到聚类中心不再变化。
+
+![](./img/KM-5.png)
+
+## 不确定性 Non-determinism
+
+![](./img/KM-diff.png)
+
+上述算法非常简单，但是也存在问题：不同的初始化聚类中心，可能会有不同的聚类结果。如图是相同数据但是不同初始化的聚类结果。
+
+因此多次启动通常是需要的。
+
+## 算法定义
+
+初始化：  
+- 数据为 $\mathbf{x}_{1:N}$ : 有 N 个数据点
+- 选择初始聚类均值 $\mu_{1:K}$，其与数据有相同维度
+
+重复：
+- 分配每个点到最近的聚类中心
+  $$
+  z_n = \argmin_{i\in K} \text{dist}(\mathbf{x}_n, \mu_i)
+  $$
+- 计算新的聚类中心
+  $$
+  \mu_k = \frac{1}{N_k}\sum_{n:z_n=k}\mathbf{x}_n
+  $$
+
+直到分配 $z_{1:N}$ 不再发生变化。

Clustering/img/KM-1.png

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 - [聚类算法](./Clustering/README.md)
   - [层次聚类](./Clustering/Hierarchical.md)
+  - [K均值聚类](./Clustering/K-means.md)
   - [K近邻 [WIP]](./Clustering/kNN.md)
   - [DBScan [WIP]](./Clustering/DBScan.md)
   - [高斯混合模型 GMM [WIP]](./Clustering/GMM.md)