京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
Bi这里是的意思就是Binary,二进制的意思,所以有时候叫这个算法为二进Kmeans算法。为什么我们需要用BiKmeans呢?就是为了解决初始化k个随机的质心点时其中一个或者多个点由于位置太极端而导致迭代的过程中消失的问题。BiKmeans只是Kmeans其中一个优化方案,其实还是有很多优化的方案,这里BiKmeans容易讲解和理解,并且容易用numpy, pandas实现。
那为什么二进Kmeans算法可以有效的解决这个问题呢。我们需要从二进Kmeans的基础看是讲起。其实BiKmeans的迭代过程类似于一个决策树。首先我们看一下Kmeans算法的步骤。
利用之前写好的Kmeans算法包,设置k为2。所以每次传入一个数据集的时候,都是进行2分类。
假设我们预先想分出K个簇。
那这个算法其实就是非常的类似决策树的算法。在决策树节点由父节点划分成子节点的过程中,用的是gini不纯度来判断是否需要划分,我们选择不纯度差值最大的那个特征来做划分。这里也类似,我们最后的目标是最小化SSE,所以对每一个簇来说,都可以得出该簇在划分出成2个簇之后总体上SSE降低了多少,我们需要做的就是保持其他的簇不变,选取的就是那个能够最大程度的降低SSE的那个簇进行Kmeans二分类。
那个算法里面还是有个缺陷,就是在算法的过程中,会对每个簇重复计算划分后SSE的差值,所以这里我在对每个簇做划分后,记录下它的SSE差值,后期就可以直接使用SSE,不用重新再计算一遍了。
我们首先用决策树的概念来看下BiKmeans,我们目标是分成4个簇,首先有我们有我们的根节点,也就是我们的整体的数据集,假设这个数据集的SSE为100.
首先先读取数据,读取的是上次我们在Kmeans中间过程最后展示原始Kmeans理论缺陷的那组数据。
from Kmeans_pack import *
r = 4
k = 3
x , y = make_blobs(n_samples = 400,
cluster_std = [0.2, 0.4, 0.4, 0.4],
centers = [[0.3,-1],[1,1],[-1,1], [-1,-1]],
random_state = r
)
np.random.seed(r)
sim_data = pd.DataFrame(x, columns = ['x', 'y'])
sim_data['label'] = y
dataset = sim_data.copy()
现在我们尝试的将数据只做一次二分Kmeans的迭代,查看结果,这个时候会有两种结果
在这两个情况下,我们看到2分Kmeans可以将当前数据集分成2个簇,紧接着我们就需要尝试分别对蓝色和黄色的簇进行2分Kmeans查看每个簇划分后SSE下降了少。我们会首先写一个Split函数,对每个传进去的数据集进行2分Kmeans。但是这里需要注意是否是第一次做划分,就比如上面的情况。
这里我们首先有个split函数,专门用来对传入的数据做2分Kmeans,算出聚类前和聚类后的SSE,比如说假如这个时候我们有x和y,\bar{x}xˉ和\bar{y}yˉ为x和y的平均值
\left[ \begin{matrix} (x_{1}-\bar{x})^2 + (y_{1}-\bar{y})^2 \\ (x_{2}-\bar{x})^2 + (y_{2}-\bar{y})^2 \\ (x_{3}-\bar{x})^2 + (y_{3}-\bar{y})^2 \end{matrix} \right]⎣⎡(x1−xˉ)2+(y1−yˉ)2(x2−xˉ)2+(y2−yˉ)2(x3−xˉ)2+(y3−yˉ)2⎦⎤
def Split(dataset):
#假设当前数据不是第一次二分Kmeans,就是说传进来的是整体的数据集,当前的质心点就是每个特征的平均值
temp_data = dataset.loc[:, dataset.columns != 'label'].copy()
#计算当前数据集的SSE
current_error = np.power(temp_data - temp_data.mean(), 2).sum().sum()
#对数据集做二分Kmeans
curr_group, SSE_list, centers = Kmeans_regular(temp_data, k = 2)
#记录二分后的SSE
after_split_error = SSE_list[-1]
#已经有了curr_group将二分类后的数据集先拿出来
clusters = list(dataset.groupby(curr_group))
#这里有非常非常少的情况会出现二分Kmeans中初始的质心点其中一个由于离所有的都太远,导致丢失的情况
#所以这里多加了一个判断,假如其中一个质心掉了,那上面给的clusters只有一个而不是两个
#在这个情况下,dataset没有被成功二分类,我们需要将dataset自身给return,进行下一次迭代,肯定有一次迭代能成功分出2个簇
#所以在这个情况下entropy就是current_error, cluster1就是dataset自己,cluster2为空
if len(clusters) == 1:
entropy = current_error
return [entropy, dataset, None, current_error]
#分别取出2个簇
cluster1, cluster2 = [i[1] for i in clusters]
#计算这个簇做了二分Kmeans后SSE下降的多少
entropy = current_error - after_split_error
#最后返回结果,返回当前这个簇二分后的SSE差值,分出的簇1和簇2,还有当前这个簇的SSE
return [entropy, cluster1, cluster2, current_error]
这个函数写好之后我们来测试一下,当前我们将所有的数据全部传进去后,给出的结果
entropy, cluster1, cluster2, current_error = Split(dataset) entropy, cluster1.shape[0], cluster2.shape[0], current_error
(432.9176440191153, 200, 200, 813.3842612925762)
当前数据集做完二分后整体SSE由原来的813,下降了432.92。
接下来就是需要完成2分Kmeans的迭代过程
def bi_iterate(dataset, k = 4):
#首先准备一个空的cluster_info_list,这个list是用来存二分后的结果,里面每一个元素都是一个簇
#对于每个元素来说,它代表的是个簇,里面记录的这个簇的[entropy, cluster1, cluster2, current_error]
#也就是每个簇的[SSE差值,第一个二分后的簇,第二个二分后的簇,当前簇的SSE]
cluster_info_list = []
#使用while做循环直到cluster_info_list里面一共达到k个簇的时候停止
while len(cluster_info_list) < k:
#假如当前我们是第一次迭代的话也就是cluster_info_list是空list的话做以下操作
if len(cluster_info_list) == 0:
#直接用Split函数,将整体数据集放入cluster_info_list里,然后下面的操作都不用,continue进入下一个循环
cluster_info_list.append(Split(dataset))
continue
#首先将cluster_info_list最后一个元素取出来,cluster_info_list里面是所有簇的信息
#我们后面会对cluster_info_list做sort,由于cluster_info_list里面每个元素的第一位是SSE差值
#所以我们做完sort后,最后一个元素肯定是SSE差值(entropy)最大的那一个,也就是我们需要下一步做二分的簇
#将最后一个元素里的2个clusters取出来后,将这个当前在cluster_info_list里SSE最大的一个簇删除掉(pop方法)
#取而代之的是Split(cluster1)和Split(cluster2),也是就尝试着对新的两个cluster尝试去算SSE差值
cluster1, cluster2 = cluster_info_list[-1][1:-1]
cluster_info_list.pop(-1)
#将Split(cluster1)和Split(cluster2)的结果追加到cluster_info_list
#注意假如只有cluster2给出的是None,则碰到二分类不成功的情况,cluster1还为原来上一次dataset,cluster2为空
#不将cluster2追加到cluster_info_list当中
cluster_info_list.append(Split(cluster1))
if cluster2 is not None:
cluster_info_list.append(Split(cluster2))
#整体的cluster_info_list进行一次sort,找出当前所有的簇中,哪一个簇的SSE差值最大
#这里我们是需要对整体cluster_info_list做sort,因为新追加进去的2个心cluster的SSE差值可能没有cluster_info_list里已经记录的簇的SSE大。
cluster_info_list.sort()
#进入下一个循环
return cluster_info_list
将总共的代码都放在一起,内容不多,和网上的代码相比的话,简单易懂量少,也避免了效率较低的for循环。
from Kmeans_pack import * def Split(dataset): temp_data = dataset.loc[:, dataset.columns != 'label'].copy() current_error = np.power(temp_data - temp_data.mean(), 2).sum().sum() curr_group, SSE_list, centers = Kmeans_regular(temp_data, k = 2) after_split_error = SSE_list[-1] clusters = list(dataset.groupby(curr_group)) if len(clusters) == 1: entropy = current_error return [entropy, dataset, None, None, current_error] cluster1, cluster2 = [i[1] for i in clusters] entropy = current_error - after_split_error return [entropy, cluster1, cluster2, centers, curr_group, current_error, dataset] def bi_Kmeans(dataset, k = 4): cluster_info_list = [] while len(cluster_info_list) < k: if len(cluster_info_list) == 0: cluster_info_list.append(Split(dataset)) continue cluster1, cluster2 = cluster_info_list[-1][1:3] cluster_info_list.pop(-1) cluster_info_list.append(Split(cluster1)) if cluster2 is not None: cluster_info_list.append(Split(cluster2)) cluster_info_list.sort() return cluster_info_list
我们测试一下代码,返回的cluster_info_list里面所有的元素都是簇的信息,每个元素的最后一位都是这个簇的簇内SSE,所以我们可以用列表解析的方法将每个元素的最后一位取出来,进行相加就能得到BiKmeans最后的结果给出的整体的SSE,我们可以看出在数据集要4个簇的前提下,我们SSE最后为95.64
np.random.seed(1) cluster_info_list = bi_Kmeans(dataset, k = 4)
我们也可以将这个结果和原始写好的Kmeans_regular做比较
regular_SSE = []
bi_SSE = []
for i in range(50):
curr_group, SSE_list, centers = Kmeans_regular(dataset, k = 4)
cluster_info_list = bi_Kmeans(dataset, k = 4)
bi_sse = sum([i[-1] for i in cluster_info_list])
regular_SSE.append(SSE_list[-1])
bi_SSE.append(bi_sse)
data_compare = pd.DataFrame({'ReKmeans':regular_SSE,'BiKmeans':bi_SSE}) data = [go.Scatter(x = data_compare.index + 1, y = data_compare[i], mode = 'lines+markers', name = i ) for i in data_compare.columns] layout = go.Layout(title = '原始Kmeans与二分Kmeans的SSE稳定性比较', xaxis = {'title' : '次数'}, yaxis = {'title' : 'SSE值'}, template = 'plotly_white' ) fig = go.Figure(data = data, layout = layout) #fig.show()
我们这里随机的跑30次,来比较最后2个算法所得到的SSE,我们这里主要查看稳定性。可以从图中看出对于原始的(RegularKmeans)的SSE非常不稳定,而对于BiKmeans来说的话,SSE非常稳定,一直保持在大约95左右。这里就体现出的BiKmeans的优点,可以很大概率的(不是绝无可能)保证每次随机生成的2个质心点不会因为太极端而导致其中一个丢失的问题,从而导致最后SSE很高,结果陷入局部最优的这样一个问题。
这里我们不会像Kmeans中间过程那样给出详细的从随机选取的质心点到收敛的过程。我们这个给出一个大致的BiKmeans中间过程,有助于同学们理解。
CDA学员免费下载查看报告全文:2026全球数智化人才指数报告【CDA数据科学研究院】.pdf
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
近日,由 CDA 数据科学研究院重磅发布的《2026 全球数智化人才指数报告》,被中国教育科学研究院官方账号正式收录, ...
2026-04-22在数字化时代,客户每一次点击、浏览、下单、咨询等行为,都在传递其潜在需求与决策倾向——这些按时间顺序串联的行为轨迹,构成 ...
2026-04-22数据是数据分析、建模与业务决策的核心基石,而“数据清洗”作为数据预处理的核心环节,是打通数据从“原始杂乱”到“干净可用” ...
2026-04-22 很多数据分析师每天盯着GMV、转化率、DAU等数字看,但当被问到“什么是指标”“指标和维度有什么区别”“如何搭建一套完整的 ...
2026-04-22在数据分析与业务决策中,数据并非静止不变的数值,而是始终处于动态波动之中——股市收盘价的每日涨跌、企业月度销售额的起伏、 ...
2026-04-21在数据分析领域,当研究涉及多个自变量与多个因变量之间的复杂关联时,多变量一般线性分析(Multivariate General Linear Analys ...
2026-04-21很多数据分析师精通描述性统计,能熟练计算均值、中位数、标准差,但当被问到“用500个样本如何推断10万用户的真实满意度”“这 ...
2026-04-21在数据处理与分析的全流程中,日期数据是贯穿业务场景的核心维度之一——无论是业务报表统计、用户行为追踪,还是风控规则落地、 ...
2026-04-20在机器学习建模全流程中,特征工程是连接原始数据与模型效果的关键环节,而特征重要性分析则是特征工程的“灵魂”——它不仅能帮 ...
2026-04-20很多数据分析师沉迷于复杂的机器学习算法,却忽略了数据分析最基础也最核心的能力——描述性统计。事实上,80%的商业分析问题, ...
2026-04-20在数字化时代,数据已成为企业决策的核心驱动力,数据分析与数据挖掘作为解锁数据价值的关键手段,广泛应用于互联网、金融、医疗 ...
2026-04-17在数据处理、后端开发、报表生成与自动化脚本中,将 SQL 查询结果转换为字符串是一项高频且实用的操作。无论是拼接多行数据为逗 ...
2026-04-17面对一份上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区卖得最好”“哪款产品增长最快”“不同客户类型的购买力如何”——这些看似复 ...
2026-04-17数据分析师一天的工作,80% 的时间围绕表格结构数据展开。从一张销售明细表到一份完整的分析报告,表格结构数据贯穿始终。但你真 ...
2026-04-16在机器学习无监督学习领域,Kmeans聚类因其原理简洁、计算高效、可扩展性强的优势,成为数据聚类任务中的主流算法,广泛应用于用 ...
2026-04-16在机器学习建模实践中,特征工程是决定模型性能的核心环节之一。面对高维数据集,冗余特征、无关特征不仅会增加模型训练成本、延 ...
2026-04-16在数字化时代,用户是产品的核心资产,用户运营的本质的是通过科学的指标监测、分析与优化,实现“拉新、促活、留存、转化、复购 ...
2026-04-15在企业数字化转型、系统架构设计、数据治理与AI落地过程中,数据模型、本体模型、业务模型是三大核心基础模型,三者相互支撑、各 ...
2026-04-15数据分析师的一天,80%的时间花在表格数据上,但80%的坑也踩在表格数据上。 如果你分不清数值型和文本型的区别,不知道数据从哪 ...
2026-04-15在人工智能与机器学习落地过程中,模型质量直接决定了应用效果的优劣——无论是分类、回归、生成式模型,还是推荐、预测类模型, ...
2026-04-14