数据流聚类算法D-Stream

Density-Based Clustering for Real-Time Stream Data

基于密度的实时数据流聚类(D-Stream)

翻译by muyefei

E-mail: muyefei@https://www.doczj.com/doc/2f13065696.html,

注释：版权归作者所有，文档仅用于交流学习，可以用大纲视图查看文档结构

摘要：现有的聚类算法比如CluStream是基于k-means算法的。这些算法不能够发现任意形状的簇以及不能处理离群点。而且，它需要预先知道k值和用户指定的时间窗口。为了解决上述问题，本文提出了D-Stream算法，它是基于密度的算法。这个算法用一个在线部分将数据映射到一个网格，在离线部分计算网格的密度然后基于密度形成簇。算法采用了密度衰减技术来捕获数据流的动态变化。为了探索衰减因子、数据密度以及簇结构之间的关系，我们的算法能够有效的并且有效率地实时调整簇。而且，我们用理论证明了移除那些属于离群点的稀疏网格是合理的，从而提高了系统的时间和空间效率。该技术能聚类高速的数据流而不损失聚类质量。实验结果表明我们的算法在聚类质量和效率是有独特的优势，并且能够发现任意形状的簇，以及能准确地识别实时数据流的演化行为。

关键词

流数据挖掘基于密度的聚类D-Stream 分散的网格

1 介绍

实时聚类高维数据流是困难的但很重要。因为它在各个领域应用到。比如...

聚类是一项关键的数据挖掘任务。挖掘数据流有几项关键的挑战：

（1）单遍扫描

（2）将数据流视为数据一个很长的向量在很多应用中捉襟见肘，用户更加关注簇的演化行为。

近来，出现了许多数据流聚类方法。比如STREAM、CluStream以及扩展（在多数据流，分布式数据流，并行数据流上的扩展）等。

CluStream以及扩展的算法有以下一些缺陷：

1、只能发现球形簇，不能发现任意形状的簇。

2、不能够识别噪声和离群点。

3、基于k-means的算法需要多次扫描数据（其实CluStream利用两阶段方法和微簇解决了该问题）。

基于密度的聚类算法介绍。基于密度的方法可以发现任意形状的簇，可以处理噪声，对原始数据集只需一次扫描。而且，它不需要像k-means算法那样预先设定k值。

文本提出了D-Stream,一种基于密度的数据流聚类框架。它不是简单用基于密度的算法替代k-means的数据流算法。它有两项主要的技术挑战：

首先，我们不大愿意将数据流视为静态数据很长的一个序列，因为我们对数据流演化的时间特征更加感兴趣。为了捕获簇的动态变化，我们提出了一个新颖的方案，它可以将衰减

因子与每个数据点的密度联系起来。与CluStream算法要求用户输入聚类目标的持续时间不同，衰减因子为系统提供一种新颖的机制，可以通过将最近的数据赋予更高的权重而不是完全丢弃历史信息，从而动态地、自动地形成簇。另外，D-Stream不需要用户输入簇的数目k。因此，D-Stream特别适合于那些对应用程序数据具有少量领域知识的用户。

其次，由于数据流的数据是海量的，不大可能保留每个数据记录的密度信息。因此我们提出将数据空间划分成一个个离散的网格，然后将新来的数据映射到对应的网格。这样，我们不需要保留原始数据，仅仅需要操纵这些网格。然而，对于高维数据，这些网格的数目是海量的。因此如何处理高维数据来提高伸缩性是一个关键的问题。幸运的是，实际上大部分网格是空的或者只包含少量的记录，我们在D-Stream中开发了一种内存有效的技术来管理这些松散的网格。

与CluStream算法比起来，D-Stream在聚类质量和效率方面更有优势，而且针对海量高维的流数据具有更好的伸缩性。

本文的剩余部分是这样组织的：部分2是D-Stream算法的概述；部分3提出了关于密度网格和衰减因子的一些概念和理论；部分4给出了算法的细节和理论分析；部分5是实验，在人工和真实数据集上与CluStream算法做了比较。部分6是论文总结。

2 算法概述

D-Stream算法

对一个数据流，在每一个时刻，D-Stream算法的在线部分连续第读入一个新的记录，将多维的数据放置到对应多维空间中的离散密度网格,然后更新密度网格的特征向量（5-8行）。关于密度网格和特征向量在部分3详细介绍。离线部分在每隔gap（一个时间整数参数）时间动态地调整簇。在第一个gap时间内产生了初始簇（9-11行）。然后，算法周期性

地移除松散的网格以及调整簇（12-15行）。

3 密度网格

由于不可能保留原始数据，D-Stream将多维数据空间分为许多密度网格然后由这些网格形成簇。如下图所示：

3.1 基础定义

文本中，假设输入的数据有d维。并且在以下的数据空间中定义：

在D-Stream中，我们将d维的空间S划分成密度网格。假设对于每一维，它的空间是Si，i=1,...,d被分为pi个部分。

这样数据空间S被分成了个密度网格。每个密度网格g是由

组成，我们将它表示为：

一个数据记录可以映射到下面一个密度网格g(x):

对于每个记录x,我们分给它一个密度系数，它随着时间递减。实际上，如果x在tc时刻到达，我们将它的时间戳定义成：T(x)=tc，这样它在时刻t的密度系数D(x,t)就是：

任何网格的密度是经常变动的。然而，我们发现没有必要在每一个时刻去更新所有数据

记录的密度值，而是，只有当一个数据点映射到那个网格时，我们去更新网格的密度。对于每个网格，当一个新的数据记录到达某个网格，且接收到需要记录的最后的数据记录时，我们才根据下面的结论去更新网格的密度。

命题 3.1假设一个网格g在时刻tn接收到一个新的数据记录，假设g接收到最后的数据记录是在时刻tl(tn>tl)，那么g的密度可以按下面的方式更新：

证明略。

命题3.1节省了大量的计算时间。原本在每个时间间隔更新所有网格需要计算时间。相反的是，利用命题3.1我们只用的运行时间就可以更新一个网格。这种效率的

增加是非常明显的，因为网格数目N的数目是巨大的。

而且，命题3.1节省了内存空间。我们发现在一个网格中，我们没有必要去保存时间戳和密度值。相反的，对于每个网格，按一下定义的方式存储一个特征向量。稍后解释该向量中的每一项。

命题 3.2（特征向量）一个网格g的特征向量是一个五元组：

其中，tg是g更新的最后时间，tm是g作为松散（稀疏）网格从grid_list中移除的最后时间，D是网格最后更新后的密度，label是网格的类（簇）标签，status={SPORADIC,NORMAL}是一个用来移除松散网格的标签，

3.2 基于密度的网格簇

我们现在需要决定如何基于密度信息得到簇。我们的方法是基于以下的观察：

命题3.2.让从时刻0到时刻t到达的所有数据记录成为一个集合。我们有：

证明略。

命题3.2表明系统中所有数据记录密度的总和永远不会超过。由于存在

个网格，因此每个网格的平均密度不会超过。有这个观察得到以下的定义：

在时刻t，对一个网格g，如果有

我们称它为稠密网格。其中，Cm>1是一个控制阈值的参数。比如，我们设定Cm=3。我们要求N>Cm，因为D(g,t)不能超过。

在时刻t，对一个网格g，如果有

我们称它为稀疏网格。其中，0

在时刻t，对一个网格g，如果有

我们称它为过渡网格。

在多维空间，为了形成簇，我们考虑连接各个邻接的网格，我们按以下定义：

定义 3.3 （邻接网格）考虑两个稠密网格和

，如果存在，使得：

那么在第k维空间，g1和g2就是邻接网格。表示为：g1~g2。

定义 3.4 （网格组）如果对于任何两个网格G，存在一系列网格

使得

，那么密度

网格的一个集合就是一个网格组。

定义 3.5 （内部网格和外部网格）考虑到一个网格组G以及一个网格，假如

，如果g在每一个维度存在邻接网格。那么g就是G中的一个内部网格。否则g就是G中的一个外部网格。

现在我们准备定义如何基于网格的密度形成簇。

定义 3.6 （网格簇）如果G内部每一个网格都是稠密网格而每个外部网格或者是一个稠密网格或者是一个过渡网格，那么G就是一个网格簇。

直观地，一个网格簇就是一个连接的网格组，它比它周围的网格密度要大。注意到我们总是尝试在任何可能的时候合并簇，因此这样会导致簇被松散的网格所包围。

4 D-Stream算法的组成

我们将在图1描述了算法D-Stream的主要部分。对于每一个新的数据记录x，我们将它映射到一个网格g，然后利用（5）来更新g的密度（图1 中5-8行）。然后，我们周期性的（每隔gap时间）形成簇以及移除稀疏网格。下面我们描述确定gap的策略，管理活动网

格的列表（list）以及产生簇。

4.1 网格检测以及时间间隔gap

为了挖掘数据流的动态特征，我们在部分3开发的密度网格方案会逐渐地使得每个数据记录和网格的密度变小。如果一个稠密网格长期不接收一个新的数据，它可能会降级成为一个过渡网格或者一个稀疏网格。另一方面，如果一个稀疏网格接受一些新的数据记录，它可以升级成为一个过渡网格或者稠密网格。因此，经过一个时间周期后，每个网格的密度应该被重新检查，簇也要调整。

一个关键的决定是确定检查网格的时间间隔的长度。我们发现这个时间间隔gap不能太大也不能太小。如果gap太大，数据流的动态变化不能够被很好地识别出来。如果gap太小，会导致在离线部分频繁地计算从而增加了负载。当这种计算负载过重，离线部分的处理速度可能不能匹配数据流输入的速度。

我们提出以下的策略来确定gap值的合适大小。我们认为使一个稠密网格降级成为稀疏网格所需的的最少时间与使一个稀疏网格成为一个稠密网格所需的时间差不多。为了确保检查除足够频繁地去监测任何网格的密度变化，我们将gap设定为这些最小时间的中的最小值。

命题 4.1对任何稠密网格g，从稠密网格成为一个稀疏网格所需的最少时间是：

证明略。

命题 4.2对任何稀疏网格g，从稀疏网格成为一个稠密网格所需的最少时间是：

证明略。

基于以上两个命题，我们选择足够小的gap，这样可以识别一个网格从稠密变为稀疏的任何变化，或者从稀疏变为稠密（的任何变化）。因此，在D-Stream中我们设定：

4.2 检测以及移除稀疏网格

针对基于密度的方案一个严重挑战是大量的网格，尤其是高维数据。比如，如果每一个维度被分为20个部分，那么将有20^d（指数级）个可能的网格。

一个关键的观察是空间中的大部分网格是空的或者只接收数据不是很频繁。在我们的实现方法中，我们只为那些非空的网格分配内存用来存储特征向量，这可以形成一个非常小的网格子空间。不幸的是，实际上，由于在数据错误中形成的离群点数据，导致在聚类过程中不断地增加处理非空网格的时间，这个方法的效率不是足够高。由于这些网格包含非常少的数据，我们称它为稀疏网格。由于大量的数据流高速地到达而且运行很长时间，这样使得稀疏网格不断累积，它们的数目会变得非常巨大，最终导致系统运行越来越慢。因此我们有必

要周期性地检测和移除这样的稀疏网格。这在图1中的D-Stream算法中的13行描述。

那些的网格代表稀疏网格。然而，有两种原因会导致一个网格的密度会小于Dl。第一个原因是它接收到非常少的数据，第二个原因是那个网格虽然在过去时间接收到许多数据但是由于受衰减因子的影响它的密度不断变小。只有前面那个原因导致的稀疏网格才是真的，需要移除。有后者原因导致的稀疏网格不应该被移除，因为它包含了许多数据，而且它经常升级，可能会成为过渡网格或者稠密网格。通过大量的实验，我们发现由于后者原因从而导致错误地移除这些网格会严重地恶化聚类的质量。

我们定义了一个密度阈值函数来区分这两种不同类别的稀疏网格。

定义 4.1 （密度阈值函数）假设一个网格g最后的更新时间是tg，那么在时刻t（t>tg），密度阈值函数是：

命题 4.3 函数具有以下一些性质：

证明略。

我们从所有稀疏网格中用检测出松散的网格。在图1中13行的周期性检测中，在时刻t，如果满足以下条件，我们判断那个稀疏网格是一个松散网格。

注意tm和tg在是特征向量中存储。

在D-Stream中，我们维护一个grid_list，它包括那些考虑用来作聚类分析的网格。grid_list 使用可以解决冲突的双链表结构的哈希表实现。哈希表运行检索、更新以及删除。当将每一个网格联系到一个特征向量的入口，哈希表的关键词就相当于一个网格。

我们使用下面的规则从grid_list删除松散网格。

(D1) 在图1中的13行的周期性检测中，所有满足（S1）和（S2）条件的网格被标识为SPORADIC，但是以后一直在等待（不做任何操作）直到下一个被认为可以删除的周期性检测。

(D2) 在下一个周期性检测中，如果一个被标识为SPORADIC的网格，自从上一次检测后再也没有收到任何数据，我们将它从grid_list中删除。否则，检查g是否满足（S1）和（S2）；如果是，我们保持g标识为SPORADIC不变；如果否，我们将标签重置为NORMAL。

我们应当注意到，一旦一个松散网格被删除，它的密度实际上被重置为零，由于它的特征向量被删除了。如果后来又有新的数据记录映射到上述网格，我们可能需要增加上述的网格，但是它以前的记录被抛弃了，它的密度将从新重零开始。这样一个动态机制可以维护内存中适宜大小的网格，节省了聚类的计算时间，以及阻止了对内存中松散网格无尽的计算。

尽管删除松散的网格对D-Stream算法的效率性能非常关键，该方案是否正确，一个重要的问题是这种删除是否会影响到聚类的结果。特别地，由于一个松散的网格可能在以后时间接收到数据从而成为过渡网格或者稠密网格，我们需要知道这种删除是否有可能阻止这个

网格被正确地标识为过渡网格或者稠密网格。我们已经设计了一个密度阈值函数

和一些删除规则，这样的话过渡簇或者稠密簇不会被错误地删除，由于对松散网格的移除。

考虑到一个网格g，它在时刻t的密度是D(g,t)，假设它在t（每次它的密度被重置为零）之前已经被删除若干次了，因为它的密度在许多时刻比密度阈值函数值要小。假设这些密度值没有被清除而是被全部保留，那么网格g的密度是Da(g,t)，我们将Da(g,t)称为网格g的完全密度函数。

现在我们提出了一些密度函数重要的理论性质，这些性质可以保证D-Stream

系统的正确功能。我们将要阐明，如果一个网格在后来会成为一个过渡网格或者稠密网格，将它作为松散网格删除将不会影响其以后的升级（就是说松散网格在以后可能升级为过渡网格或者稠密网格）。

我们首先调查的问题是，如果一个网格g作为松散网格被删除，如果它以前从没有过从grid_list中删除，那么g是否有可能成为非松散的呢？我们将用下面的结论回答这个问题。（答案是g不能是非松散的，一定是松散的）

命题 4.4假设网格g作为松散网格被删除的最后时刻是tm，以及g接收一个数据记录

的最后时间是tg。如果在现在时刻t，我们有，那么我们同样有

。

证明略。

命题4.4非常重要由于它表明了删除一个松散的网格不会导致过渡网格或者稠密网格被错误地删除。它表明，如果网格g在t时刻由于它作为松散网格被删除，，那么即使在以前没有发生过任何的删除（操作），它仍然是一个松散网格，并不能成为一个过渡网格或者稠密网格，因为。

命题 4.5 一个网格g在时刻t的密度是D(g,t)，而且g在t+1和t+gap之间没有收到任何数据，那么存在t0>0以及t1>0使得：

证明略。

命题4.5是一个关键的结论，它使得（S1），（S2），（D1），（D2）一起正确地起作用。它表明，当时间持续足够长，我们将永远不会因为对过去数据的移除而删除一个过渡网格或者稠密网格。如果如果一个网格是稀疏的（非稠密），那么当它被删除时，它肯定是稀疏的

（非稠密），即使考虑到过去那些删除的数据。我们知道表示网格的密度（假

设在以前从来没发生过删除（操作））。结果表明，在一个初始化阶段后，删除松散的网格不会影响聚类的结果。

4.3 聚类算法

我们所描绘的算法初始化簇后，然后每隔gap时间调整簇。初始化聚类（initial_clustering）的过程在图3描述。调整聚类（adjust_clustering）的过程在图4描述。一旦网格的密度在给定的时刻被确定，聚类的过程与使用基于密度聚类的标准方法类似。

我们应当注意，在计算过程中，不管在什么时候我们更新网格和发现邻接网格，我们只需考虑那些在grid_list中维护的网格。因此，尽管高维数据可能存在的网格的数目是巨大的，然而大部分空的或者不频繁的网格被丢弃了，这可以节省大量计算时间从而使得我们的算法非常快速，而不致于恶化聚类的质量。

5.实验结果

实验设定和数据集

我们评估了D-Stream算法的聚类质量和效率同时与CluStream算法做了比较。我们所有的实验是在一个台带有1.7GHzCPU和256M内存的PC上进行的。我们用VC++6.0以及一个Matlab图形接口实现了D-Stream。在所有试验中，我

们设置：Cm=3.0，Cl=0.8，=0.998，以及=0.3。

我们使用两个测试集。第一个是测试数据集是一个真实的数据集合KDD CUP-99，它包含由MIT林肯实验室收集的网络入侵数据流。它...

另外，我们也使用了一些人工数据集用来测试D-Stream算法的伸缩性。这个人工数据

集包含的数据数量从35K到85K不等，簇的数目被设定为4，维度的数目范围从2到40。

在下面的实验中，我们将数据集的所有属性规格化为[0,1]。每个维度被均匀地分为多个数据段，每个段的长度为len。

5.1 带许多异常值的演化数据流

5.2 聚类质量比较

5.3 时间性能比较

6.结论

在本文中，我们提出了D-Stream算法，一种用来聚类数据流的新框架。该算法将每一个输入的数据映射到一个网格，然后计算每个网格的密度，最后使用基于密度的算法进行聚类。与以往基于k-means算法不同，这里提出的算法可以发现任意形状的簇。该算法又提出了一个密度衰减策略，可以有效地实时调整簇以及可以捕获数据流的演化行为。而且，开发了一个听起来复杂和具有理论性的技术用来检测和移除松散的网格从而在不影响聚类结果的前提下动态地提高时空效率。该技术在不降低聚类质量的前提下使得聚类高速的数据流成为可能。

7.感谢

8.参考文献

MATLAB实现FCM 聚类算法

本文在阐述聚类分析方法的基础上重点研究FCM 聚类算法。FCM 算法是一种基于划分的聚类算法，它的思想是使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大，而不同簇之间的相似度最小。最后基于MATLAB实现了对图像信息的聚类。 第 1 章概述 聚类分析是数据挖掘的一项重要功能，而聚类算法是目前研究的核心，聚类分析就是使用聚类算法来发现有意义的聚类，即“物以类聚” 。虽然聚类也可起到分类的作用，但和大多数分类或预测不同。大多数分类方法都是演绎的，即人们事先确定某种事物分类的准则或各类别的标准，分类的过程就是比较分类的要素与各类别标准，然后将各要素划归于各类别中。确定事物的分类准则或各类别的标准或多或少带有主观色彩。 为获得基于划分聚类分析的全局最优结果，则需要穷举所有可能的对象划分，为此大多数应用采用的常用启发方法包括：k-均值算法，算法中的每一个聚类均用相应聚类中对象的均值来表示；k-medoid 算法，算法中的每一个聚类均用相应聚类中离聚类中心最近的对象来表示。这些启发聚类方法在分析中小规模数据集以发现圆形或球状聚类时工作得很好，但当分析处理大规模数据集或复杂数据类型时效果较差，需要对其进行扩展。 而模糊C均值(Fuzzy C-means, FCM)聚类方法，属于基于目标函数的模糊聚类算法的范畴。模糊C均值聚类方法是基于目标函数的模糊聚类算法理论中最为完善、应用最为广泛的一种算法。模糊c均值算法最早从硬聚类目标函数的优化中导出的。为了借助目标函数法求解聚类问题，人们利用均方逼近理论构造了带约束的非线性规划函数，以此来求解聚类问题，从此类内平方误差和WGSS(Within-Groups Sum of Squared Error)成为聚类目标函数的普遍形式。随着模糊划分概念的提出，Dunn [10] 首先将其推广到加权WGSS 函数，后来由Bezdek 扩展到加权WGSS 的无限族，形成了FCM 聚类算法的通用聚类准则。从此这类模糊聚类蓬勃发展起来，目前已经形成庞大的体系。 第 2 章聚类分析方法 2-1 聚类分析 聚类分析就是根据对象的相似性将其分群，聚类是一种无监督学习方法，它不需要先验的分类知识就能发现数据下的隐藏结构。它的目标是要对一个给定的数据集进行划分，这种划分应满足以下两个特性：①类内相似性：属于同一类的数据应尽可能相似。②类间相异性：属于不同类的数据应尽可能相异。图2.1是一个简单聚类分析的例子。

数据挖掘中的聚类分析方法

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇 数据挖掘中的聚类分析方法 黄利文 （泉州师范学院理工学院，福建泉州３６２０００） 摘要：聚类分析是多元统计分析的重要方法之一，该方法在许多领域都有广泛的应用。本文首先对聚类的分类做简要的介绍，然后给出了常用的聚类分析方法的基本思想和优缺点，并对常用的聚类方法作比较分析，以便人们根据实际的问题选择合适的聚类方法。 关键词：聚类分析；数据挖掘 中图分类号：ＴＰ３１１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）１２－２０５６４－０２ ＣｌｕｓｔｅｒＡｎｌａｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄｓｏｆＤａｔａＭｉｎｉｎｇ ＨＵＡＮＧＬｉ－ｗｅｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＱｕａｎｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｕａｎｚｈｏｕ３６２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｌｕｓｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａ－ｔｉｏｎｓｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄｔｈｅｎｇｉｖｅｓｓｏｍｅｃｏｍｍｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｌｕｓｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｔｈｅｓｅｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎｓｌｙｚｅｄｓｏｔｈａｔｐｅｏｐｌｅｃａｎｃｈｏｓｅｓｕｉｔａｂｌｅｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｉｓｓｕｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｌｕｓｔｅｒＡｎａｌｙｓｉｓ；ＤａｔａＭｉｎｉｎｇ １引言 聚类分析是数据挖掘中的重要方法之一，它把一个没有类别标记的样本集按某种准则划分成若干个子类，使相似的样品尽可能归为一类，而不相似的样品尽量划分到不同的类中。目前，该方法已经被广泛地应用于生物、气候学、经济学和遥感等许多领域，其目的在于区别不同事物并认识事物间的相似性。因此，聚类分析的研究具有重要的意义。 本文主要介绍常用的一些聚类方法，并从聚类的可伸缩性、类的形状识别、抗“噪声”能力、处理高维能力和算法效率五个方面对其进行比较分析，以便人们根据实际的问题选择合适的聚类方法。 ２聚类的分类 聚类分析给人们提供了丰富多彩的分类方法，这些方法大致可归纳为以下几种［１，２，３，４］：划分方法、层次方法、基于密度的聚类方法、基于网格的聚类方法和基于模型的聚类方法。 ２．１划分法（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ） 给定一个含有ｎ个对象（或元组）的数据库，采用一个划分方法构建数据的ｋ个划分，每个划分表示一个聚簇，且ｋ≤ｎ。在聚类的过程中，需预先给定划分的数目ｋ，并初始化ｋ个划分，然后采用迭代的方法进行改进划分，使得在同一类中的对象之间尽可能地相似，而不同类的中的对象之间尽可能地相异。这种聚类方法适用于中小数据集，对大规模的数据集进行聚类时需要作进一步的改进。 ２．２层次法（ｈｉｅｔａｒｃｈｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ） 层次法对给定数据对象集合按层次进行分解，分解的结果形成一颗以数据子集为节点的聚类树，它表明类与类之间的相互关系。根据层次分解是自低向上还是自顶向下，可分为凝聚聚类法和分解聚类法：凝聚聚类法的主要思想是将每个对象作为一个单独的一个类，然后相继地合并相近的对象和类，直到所有的类合并为一个，或者符合预先给定的终止条件；分裂聚类法的主要思想是将所有的对象置于一个簇中，在迭代的每一步中，一个簇被分裂为更小的簇，直到最终每个对象在单独的一个簇中，或者符合预先给定的终止条件。在层次聚类法中，当数据对象集很大，且划分的类别数较少时，其速度较快，但是，该方法常常有这样的缺点：一个步骤（合并或分裂）完成，它就不能被取消，也就是说，开始错分的对象，以后无法再改变，从而使错分的对象不断增加，影响聚类的精度，此外，其抗“噪声”的能力也较弱，但是若把层次聚类和其他的聚类技术集成，形成多阶段聚类，聚类的效果有很大的提高。２．３基于密度的方法（ｄｅｎｓｉｔｙ－ｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄｓ） 该方法的主要思想是只要临近区域的密度（对象或数据点的数目）超过某个阈值，就继续聚类。也就是说，对于给定的每个数据点，在一个给定范围的区域中必须至少包含某个数目的点。这样的方法就可以用来滤处＂噪声＂孤立点数据，发现任意形状的簇。２．４基于网格的方法（ｇｒｉｄ－ｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄｓ） 这种方法是把对象空间量化为有限数目的单元，形成一个网格结构。所有的聚类操作都在这个网格结构上进行。用这种方法进行聚类处理速度很快，其处理时间独立于数据对象的数目，只与量化空间中每一维的单元数目有关。 ２．５基于模型的方法（ｍｏｄｅｌ－ｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄ） 基于模型的方法为每个簇假定一个模型，寻找数据对给定模型的最佳拟合。该方法经常基于这样的假设：数据是根据潜在的概 收稿日期：２００８－０２－１７ 作者简介：黄利文（１９７９－），男，助教。

数据挖掘聚类算法课程设计报告

数据挖掘聚类问题(Plants Data Set)实验报告 1.数据源描述 1.1数据特征 本实验用到的是关于植物信息的数据集，其中包含了每一种植物(种类和科属)以及它们生长的地区。数据集中总共有68个地区，主要分布在美国和加拿大。一条数据(对应于文件中的一行)包含一种植物(或者某一科属)及其在上述68个地区中的分布情况。可以这样理解，该数据集中每一条数据包含两部分内容，如下图所示。 图1 数据格式 例如一条数据:abronia fragrans,az,co,ks,mt,ne,nm,nd,ok,sd,tx,ut,wa,wy。其中abronia fragrans是植物名称(abronia是科属，fragrans是名称)，从az一直到wy 是该植物的分布区域，采用缩写形式表示，如az代表的是美国Arizona州。植物名称和分布地区用逗号隔开，各地区之间也用逗号隔开。 1.2任务要求 聚类。采用聚类算法根据某种特征对所给数据集进行聚类分析，对于聚类形成的簇要使得簇内数据对象之间的差异尽可能小，簇之间的差距尽可能大。 2.数据预处理 2.1数据清理 所给数据集中包含一些对聚类过程无用的冗余数据。数据集中全部数据的组织结构是：先给出某一科属的植物及其所有分布地区，然后给出该科属下的具体植物及其分布地区。例如： ①abelmoschus,ct,dc,fl,hi,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi ②abelmoschus esculentus,ct,dc,fl,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi ③abelmoschus moschatus,hi,pr 上述数据中第①行给出了所有属于abelmoschus这一科属的植物的分布地区，接下来的②③两行分别列出了属于abelmoschus科属的两种具体植物及其分布地区。从中可以看出后两行给出的所有地区的并集正是第一行给出的地区集

数据挖掘算法综述

数据挖掘方法综述 [摘要]数据挖掘（DM，DataMining）又被称为数据库知识发现（KDD,Knowledge Discovery in Databases）,它的主要挖掘方法有分类、聚类、关联规则挖掘和序列模式挖掘等。 [关键词]数据挖掘分类聚类关联规则序列模式 1、数据挖掘的基本概念 数据挖掘从技术上说是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在的有用的信息和知识的过程。这个定义包括好几层含义: 数据源必须是真实的、大量的、含噪声的、发现的是用户感兴趣的知识, 发现的知识要可接受、可理解、可运用, 并不要求发现放之四海皆准的知识, 仅支持特定的发现问题, 数据挖掘技术能从中自动分析数据进行归纳性推理从中发掘出潜在的数据模式或进行预测, 建立新的业务模型帮助决策者调整策略做出正确的决策。数据挖掘是是运用统计学、人工智能、机器学习、数据库技术等方法发现数据的模型和结构、发现有价值的关系或知识的一门交叉学科。数据挖掘的主要方法有分类、聚类和关联规则挖掘等 2、分类 分类（Classification）又称监督学习（Supervised Learning）。监

督学习的定义是：给出一个数据集D，监督学习的目标是产生一个联系属性值集合A和类标（一个类属性值称为一个类标）集合C的分类/预测函数，这个函数可以用于预测新的属性集合（数据实例）的类标。这个函数就被称为分类模型（Classification Model），或者是分类器（Classifier）。分类的主要算法有：决策树算法、规则推理、朴素贝叶斯分类、支持向量机等算法。 决策树算法的核心是Divide-and-Conquer的策略，即采用自顶向下的递归方式构造决策树。在每一步中，决策树评估所有的属性然后选择一个属性把数据分为m个不相交的子集，其中m是被选中的属性的不同值的数目。一棵决策树可以被转化成一个规则集，规则集用来分类。 规则推理算法则直接产生规则集合，规则推理算法的核心是Separate-and-Conquer的策略，它评估所有的属性-值对（条件），然后选择一个。因此，在一步中，Divide-and-Conquer策略产生m条规则，而Separate-and-Conquer策略只产生1条规则，效率比决策树要高得多，但就基本的思想而言，两者是相同的。 朴素贝叶斯分类的基本思想是：分类的任务可以被看作是给定一个测试样例d后估计它的后验概率，即Pr（C=c j︱d），然后我们考察哪个类c j对应概率最大，便将那个类别赋予样例d。构造朴素贝叶斯分类器所需要的概率值可以经过一次扫描数据得到，所以算法相对训练样本的数量是线性的，效率很高，就分类的准确性而言，尽管算法做出了很强的条件独立假设，但经过实际检验证明，分类的效果还是

PAM聚类算法的分析与实现

毕业论文（设计）论文（设计）题目：PAM聚类算法的分析与实现 系别： 专业： 学号： 姓名： 指导教师： 时间：

毕业论文（设计）开题报告 系别:计算机与信息科学系专业:网络工程 学号姓名高华荣 论文（设计）题目PAM聚类算法的分析与实现 命题来源□√教师命题□学生自主命题□教师课题 选题意义(不少于300字): 随着计算机技术、网络技术的迅猛发展与广泛应用，人们面临着日益增多的业务数据，这些数据中往往隐含了大量的不易被人们察觉的宝贵信息，为了得到这些信息，人们想尽了一切办法。数据挖掘技术就是在这种状况下应运而生了。而聚类知识发现是数据挖掘中的一项重要的内容。 在日常生活、生产和科研工作中，经常要对被研究的对象经行分类。而聚类分析就是研究和处理给定对象的分类常用的数学方法。聚类就是将数据对象分组成多个簇，同一个簇中的对象之间具有较高的相似性，而不同簇中的对象具有较大的差异性。 在目前的许多聚类算法中，PAM算法的优势在于：PAM算法比较健壮，对“噪声”和孤立点数据不敏感；由它发现的族与测试数据的输入顺序无关；能够处理不同类型的数据点。 研究综述(前人的研究现状及进展情况，不少于600字): PAM（Partitioning Around Medoid,围绕中心点的划分）算法是是划分算法中一种很重要的算法，有时也称为k-中心点算法，是指用中心点来代表一个簇。PAM算法最早由Kaufman和Rousseevw提出，Medoid的意思就是位于中心位置的对象。PAM算法的目的是对n个数据对象给出k个划分。PAM算法的基本思想：PAM算法的目的是对成员集合D中的N个数据对象给出k个划分，形成k个簇，在每个簇中随机选取1个成员设置为中心点，然后在每一步中，对输入数据集中目前还不是中心点的成员根据其与中心点的相异度或者距离进行逐个比较，看是否可能成为中心点。用簇中的非中心点到簇的中心点的所有距离之和来度量聚类效果，其中成员总是被分配到离自身最近的簇中，以此来提高聚类的质量。 由于PAM算法对小数据集非常有效，但对大的数据集合没有良好的可伸缩性，就出现了结合PAM的CLARA（Cluster LARger Application）算法。CLARA是基于k-中心点类型的算法，能处理更大的数据集合。CLARA先抽取数据集合的多个样本，然后用PAM方法在抽取的样本中寻找最佳的k个中心点，返回最好的聚类结果作为输出。后来又出现了CLARNS（Cluster Larger Application based upon RANdomized

数据流聚类算法D-Stream

Density-Based Clustering for Real-Time Stream Data 基于密度的实时数据流聚类(D-Stream) 翻译by muyefei E-mail: muyefei@https://www.doczj.com/doc/2f13065696.html, 注释：版权归作者所有，文档仅用于交流学习，可以用大纲视图查看文档结构 摘要：现有的聚类算法比如CluStream是基于k-means算法的。这些算法不能够发现任意形状的簇以及不能处理离群点。而且，它需要预先知道k值和用户指定的时间窗口。为了解决上述问题，本文提出了D-Stream算法，它是基于密度的算法。这个算法用一个在线部分将数据映射到一个网格，在离线部分计算网格的密度然后基于密度形成簇。算法采用了密度衰减技术来捕获数据流的动态变化。为了探索衰减因子、数据密度以及簇结构之间的关系，我们的算法能够有效的并且有效率地实时调整簇。而且，我们用理论证明了移除那些属于离群点的稀疏网格是合理的，从而提高了系统的时间和空间效率。该技术能聚类高速的数据流而不损失聚类质量。实验结果表明我们的算法在聚类质量和效率是有独特的优势，并且能够发现任意形状的簇，以及能准确地识别实时数据流的演化行为。 关键词 流数据挖掘基于密度的聚类D-Stream 分散的网格 1 介绍 实时聚类高维数据流是困难的但很重要。因为它在各个领域应用到。比如... 聚类是一项关键的数据挖掘任务。挖掘数据流有几项关键的挑战： （1）单遍扫描 （2）将数据流视为数据一个很长的向量在很多应用中捉襟见肘，用户更加关注簇的演化行为。 近来，出现了许多数据流聚类方法。比如STREAM、CluStream以及扩展（在多数据流，分布式数据流，并行数据流上的扩展）等。 CluStream以及扩展的算法有以下一些缺陷： 1、只能发现球形簇，不能发现任意形状的簇。 2、不能够识别噪声和离群点。 3、基于k-means的算法需要多次扫描数据（其实CluStream利用两阶段方法和微簇解决了该问题）。 基于密度的聚类算法介绍。基于密度的方法可以发现任意形状的簇，可以处理噪声，对原始数据集只需一次扫描。而且，它不需要像k-means算法那样预先设定k值。 文本提出了D-Stream,一种基于密度的数据流聚类框架。它不是简单用基于密度的算法替代k-means的数据流算法。它有两项主要的技术挑战： 首先，我们不大愿意将数据流视为静态数据很长的一个序列，因为我们对数据流演化的时间特征更加感兴趣。为了捕获簇的动态变化，我们提出了一个新颖的方案，它可以将衰减

1基于网格的数据流聚类算法

3)国家自然科学基金(60172012)。刘青宝　博士生,副教授,主要研究方向为数据仓库技术和数据挖掘;戴超凡　博士,副教授,主要研究方向为数据仓库技术和数据挖掘;邓　苏　博士,教授,主要研究方向指挥自动化、信息综合处理与辅助决策;张维明　博士生导师,教授,主要研究方向为军事信息系统、信息综合处理与辅助决策。 计算机科学2007Vol 134№13 　 基于网格的数据流聚类算法3) 刘青宝　戴超凡　邓　苏　张维明 (国防科学技术大学信息系统与管理学院　长沙410073) 　 摘　要　本文提出的基于网格的数据流聚类算法,克服了算法CluStream 对非球形的聚类效果不好等缺陷,不仅能在 噪声干扰下发现任意形状的类,而且有效地解决了聚类算法参数敏感和聚类结果无法区分密度差异等问题。关键词　聚类,数据流,聚类参数,相对密度　 G rid 2based Data Stream Clustering Algorithm L IU Qing 2Bao DA I Chao 2Fan DEN G Su ZHAN G Wei 2Ming (College of Information System and Management ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073) 　 Abstract With strong ability for discovering arbitrary shape clusters and handling noise ,grid 2based data stream cluste 2ring algorithm efficiently resolves these problem of being very sensitive to the user 2defined parameters and difficult to distinguish the density distinction of clusters.K eyw ords Clustering ,Data stream ,Clustering parameter ,Relative density 随着计算机和传感器技术的发展和应用,数据流挖掘技术在国内外得到广泛研究。它在网络监控、证券交易分析、电信记录分析等方面有着巨大的应用前景。特别在军事应用中,为了获得及时的战场态势信息,大量使用了各种传感器,对这些传感器数据流的分析处理已显得极为重要。针对数据流数据持续到达,且速度快、规模大等特点,数据流挖掘技术的研究重点是设计高效的单遍数据集扫描算法[12]。数据流聚类问题一直是吸引许多研究者关注的热点问题,已提出多种一次性扫描的方法和算法,如文[1～4]等等,但它们的聚类结果通常是球形的,不能支持对任意形状类的聚类[5]。 本文提出的基于网格的数据流聚类算法,在有限内存条件下,以单遍扫描方式,不仅能在噪声干扰下发现任意形状的类,而且有效地解决了基于绝对密度聚类算法所存在的高密度聚类结果被包含在相连的低密度聚类结果中的问题。 本文第1节简要介绍数据流聚类相关研究,并引出基于网格的数据流聚类算法的思路及其与相关研究的异同;第2节给出基于网格的数据流聚类算法所使用到的基本概念;第3节给出一个完整的基于网格的数据流聚类算法,详细解析算法的执行过程;第4节进行算法性能分析对比;最后总结本文的主要工作和贡献,并指出需要进一步研究和改进的工作。 1　相关研究 在有限内存约束下,一般方法很难对数据流进行任意形状的聚类。第一个增量式聚类挖掘方法是文[6]提出的In 2crementalDBSCAN 算法,它是一个用于数据仓库环境(相对稳定的数据流)的有效聚类算法,可以在有噪声的数据集中发现任意形状的类。但是,它为了形成任意形状的类,必须用类中的所有点来表示,要求获得整个数据流的全局信息,这在内存有限情况下是难以做到的。而且,它采用全局一致的绝对 密度作参数,使得聚类结果对参数值非常敏感,设置的细微不同即可能导致差别很大的聚类结果。 Aggarwal 在2003年提出的一个解决数据流聚类问题的框架CluStream [1]。它使用了两个过程来处理数据流聚类问题:首先,使用一个在线的micro 2cluster 过程对数据流进行初级聚类,并按一定的时间跨度将micro 2cluster 的结果按一种称为pyramid time f rame 的结构储存下来。同时,使用另一个离线的macro 2cluster 过程,根据用户的具体要求对micro 2cluster 聚类的结果进行再分析。但它采用距离作为度量参数,聚类结果通常是球形的,不能支持对任意形状类的聚类。而且,它维护的是micro 2cluster 的聚类特征向量(CF 2x ;CF 1x ;CF 2t ;CF 1t ;n ),这在噪声情况下,会产生干扰误差。 2006年,Feng Cao 等人在文[5]中提出了针对动态进化数据流的DenStream 算法。它相对CluStream 有很大的改进,继承了IncrementalDBSCAN 基于密度的优点,能够支持对有噪声的动态进化(非稳定)的数据流进行任意形状的聚类。但由于采用全局一致的绝对密度作参数,使得聚类结果对参数值非常敏感。同时,与CluStream 算法相比,它只能提供对当前数据流的一种描述,不能反映用户指定时间窗内的流数据的变化情况。 朱蔚恒等在文[13]中提出的基于密度与空间的ACluS 2tream 聚类算法,通过引入有严格空间的意义聚类块,在对数据流进行初步聚类的同时,尽量保留数据的空间特性,有效克服了CluStream 算法不能支持对任意形状聚类的缺陷。但它在处理不属于已有聚类块的新数据点时,使用一种类似“抛硬币”的方法来猜测是否为该点创建一个新的聚类块,误差较大。而且它以绝对密度做参考,所以在聚类结果中无法区分密度等级不同的簇[7]。 本文提出的基于网格的数据流聚类算法GClustream

各种聚类算法及改进算法的研究

论文关键词：数据挖掘；聚类算法；聚类分析论文摘要：该文详细阐述了数据挖掘领域的常用聚类算法及改进算法，并比较分析了其优缺点，提出了数据挖掘对聚类的典型要求，指出各自的特点，以便于人们更快、更容易地选择一种聚类算法解决特定问题和对聚类算法作进一步的研究。并给出了相应的算法评价标准、改进建议和聚类分析研究的热点、难点。上述工作将为聚类分析和数据挖掘等研究提供有益的参考。 1 引言随着经济社会和科学技术的高速发展，各行各业积累的数据量急剧增长，如何从海量的数据中提取有用的信息成为当务之急。聚类是将数据划分成群组的过程，即把数据对象分成多个类或簇，在同一个簇中的对象之间具有较高的相似度，而不同簇中的对象差别较大。它对未知数据的划分和分析起着非常有效的作用。通过聚类，能够识别密集和稀疏的区域，发现全局的分布模式，以及数据属性之间的相互关系等。为了找到效率高、通用性强的聚类方法人们从不同角度提出了许多种聚类算法，一般可分为基于层次的，基于划分的，基于密度的，基于网格的和基于模型的五大类。 2 数据挖掘对聚类算法的要求(1)可兼容性：要求聚类算法能够适应并处理属性不同类型的数据。(2)可伸缩性：要求聚类算法对大型数据集和小数据集都适用。(3)对用户专业知识要求最小化。(4)对数据类别簇的包容性：即聚类算法不仅能在用基本几何形式表达的数据上运行得很好，还要在以其他更高维度形式表现的数据上同样也能实现。(5)能有效识别并处理数据库的大量数据中普遍包含的异常值，空缺值或错误的不符合现实的数据。(6)聚类结果既要满足特定约束条件，又要具有良好聚类特性，且不丢失数据的真实信息。(7)可读性和可视性：能利用各种属性如颜色等以直观形式向用户显示数据挖掘的结果。(8)处理噪声数据的能力。(9)算法能否与输入顺序无关。 3 各种聚类算法介绍随着人们对数据挖掘的深入研究和了解，各种聚类算法的改进算法也相继提出，很多新算法在前人提出的算法中做了某些方面的提高和改进，且很多算法是有针对性地为特定的领域而设计。某些算法可能对某类数据在可行性、效率、精度或简单性上具有一定的优越性，但对其它类型的数据或在其他领域应用中则不一定还有优势。所以，我们必须清楚地了解各种算法的优缺点和应用范围，根据实际问题选择合适的算法。 3.1 基于层次的聚类算法基于层次的聚类算法对给定数据对象进行层次上的分解，可分为凝聚算法和分裂算法。 (1)自底向上的凝聚聚类方法。这种策略是以数据对象作为原子类，然后将这些原子类进行聚合。逐步聚合成越来越大的类，直到满足终止条件。凝聚算法的过程为：在初始时，每一个成员都组成一个单独的簇，在以后的迭代过程中，再把那些相互邻近的簇合并成一个簇，直到所有的成员组成一个簇为止。其时间和空间复杂性均为O(n2)。通过凝聚式的方法将两簇合并后，无法再将其分离到之前的状态。在凝聚聚类时，选择合适的类的个数和画出原始数据的图像很重要。 [!--empirenews.page--] (2)自顶向下分裂聚类方法。与凝聚法相反，该法先将所有对象置于一个簇中，然后逐渐细分为越来越小的簇，直到每个对象自成一簇，或者达到了某个终结条件。其主要思想是将那些成员之间不是非常紧密的簇进行分裂。跟凝聚式方法的方向相反，从一个簇出发，一步一步细化。它的优点在于研究者可以把注意力集中在数据的结构上面。一般情况下不使用分裂型方法，因为在较高的层很难进行正确的拆分。 3.2 基于密度的聚类算法很多算法都使用距离来描述数据之间的相似性，但对于非凸数据集，只用距离来描述是不够的。此时可用密度来取代距离描述相似性，即基于密度的聚类算法。它不是基于各种各样的距离，所以能克服基于距离的算法只能发现“类圆形”的聚类的缺点。其指导思想是：只要一个区域中的点的密度（对象或数据点的数目）大过某个阈值，就把它加到与之相近的聚类中去。该法从数据对象的分布密度出发，把密度足够大的区域连接起来，从而可发现任意形状的簇，并可用来过滤“噪声”数据。常见算法有DBSCAN，DENCLUE 等。[1][2][3]下一页 3.3 基于划分的聚类算法给定一个N个对象的元组或数据库，根据给定要创建的划分的数目k，将数据划分为k个组，每个组表示一个簇类（<=N）时满足如下两点：(1)每个组至少包含一个对象；(2)每个对

数据挖掘考试题精编版

数据挖掘考试题 公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

数据挖掘考试题 一．选择题 1. 当不知道数据所带标签时，可以使用哪种技术促使带同类标签的数据与带其他标签的数据相分离( ) A.分类 B.聚类 C.关联分析 D.主成分分析 2. ( )将两个簇的邻近度定义为不同簇的所有点对邻近度的平均值，它是一种凝聚层次聚类技术。 A.MIN(单链) B.MAX(全链) C.组平均 D.Ward方法 3.数据挖掘的经典案例“啤酒与尿布试验”最主要是应用了( )数据挖掘方法。 A 分类 B 预测 C关联规则分析 D聚类 4.关于K均值和DBSCAN的比较，以下说法不正确的是( ) A.K均值丢弃被它识别为噪声的对象，而DBSCAN一般聚类所有对象。 B.K均值使用簇的基于原型的概念，DBSCAN使用基于密度的概念。 C.K均值很难处理非球形的簇和不同大小的簇，DBSCAN可以处理不同大小和不同形状的簇 D.K均值可以发现不是明显分离的簇，即便簇有重叠也可以发现，但是DBSCAN 会合并有重叠的簇 5.下列关于Ward’s Method说法错误的是：( ) A.对噪声点和离群点敏感度比较小 B.擅长处理球状的簇

C.对于Ward方法，两个簇的邻近度定义为两个簇合并时导致的平方误差 D.当两个点之间的邻近度取它们之间距离的平方时，Ward方法与组平均非常相似 6.下列关于层次聚类存在的问题说法正确的是：( ) A.具有全局优化目标函数 B.Group Average擅长处理球状的簇 C.可以处理不同大小簇的能力 D.Max对噪声点和离群点很敏感 7.下列关于凝聚层次聚类的说法中，说法错误的事：( ) A.一旦两个簇合并，该操作就不能撤销 B.算法的终止条件是仅剩下一个簇 C.空间复杂度为()2m O D.具有全局优化目标函数 8.规则{牛奶，尿布}→{啤酒}的支持度和置信度分别为：( ) 9.下列( )是属于分裂层次聚类的方法。 A.Min B.Max C.Group Average D.MST 10.对下图数据进行凝聚聚类操作，簇间相似度使用MAX计算，第二步是哪两个簇合并：( ) A.在{3}和{l,2}合并 B.{3}和{4,5}合并 C.{2,3}和{4,5}合并

数据挖掘分类算法介绍

数据挖掘分类算法介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 分类是用于识别什么样的事务属于哪一类的方法，可用于分类的算法有决策树、bayes分类、神经网络、支持向量机等等。 决策树 例1 一个自行车厂商想要通过广告宣传来吸引顾客。他们从各地的超市获得超市会员的信息，计划将广告册和礼品投递给这些会员。 但是投递广告册是需要成本的，不可能投递给所有的超市会员。而这些会员中有的人会响应广告宣传，有的人就算得到广告册不会购买。 所以最好是将广告投递给那些对广告册感兴趣从而购买自行车的会员。分类模型的作用就是识别出什么样的会员可能购买自行车。 自行车厂商首先从所有会员中抽取了1000个会员，向这些会员投递广告册，然后记录这些收到广告册的会员是否购买了自行车。 数据如下：

在分类模型中，每个会员作为一个事例，居民的婚姻状况、性别、年龄等特征作为输入列，所需预测的分类是客户是否购买了自行车。 使用1000个会员事例训练模型后得到的决策树分类如下：

※图中矩形表示一个拆分节点，矩形中文字是拆分条件。 ※矩形颜色深浅代表此节点包含事例的数量，颜色越深包含的事例越多，如全部节点包含所有的1000个事例，颜色最深。经过第一次基于年龄的拆分后，年龄大于67岁的包含36个事例，年龄小于32岁的133个事例，年龄在39和67岁之间的602个事例，年龄32和39岁之间的229个事例。所以第一次拆分后，年龄在39和67岁的节点颜色最深，年龄大于67岁的节点颜色最浅。 ※节点中的条包含两种颜色，红色和蓝色，分别表示此节点中的事例购买和不购买自行车的比例。如节点“年龄>=67”节点中，包含36个事例，其中28个没有购买自行车，8个购买了自行车，所以蓝色的条比红色的要长。表示年龄大于67的会员有74.62%的概率不购买自行车，有23.01%的概率购买自行车。 在图中，可以找出几个有用的节点： 1. 年龄小于32岁，居住在太平洋地区的会员有7 2.75%的概率购买自行车； 2. 年龄在32和39岁之间的会员有68.42%的概率购买自行车； 3. 年龄在39和67岁之间，上班距离不大于10公里，只有1辆汽车的会员有66.08%的概率购买自行车；

机器学习聚类算法实现

《人工智能与机器学习》 实验报告 年级__ xxxx班____________ 专业___________xxxxx____ _____ 学号____________6315070301XX___________ 姓名_____________gllh________________ 日期___________2018-5-12 __

实验五聚类算法实现 一、实验目的 1、了解常用聚类算法及其优缺点 2、掌握k-means聚类算法对数据进行聚类分析的基本原理和划分方法 3、利用k-means聚类算法对已知数据集进行聚类分析 实验类型：验证性 计划课间：4学时 二、实验内容 1、利用python的sklearn库函数对给定的数据集进行聚类分析 2、分析k-means算法的实现流程 3、根据算法描述编程实现，调试运行 4、对所给数据集进行验证，得到分析结果 三、实验步骤 1、k-means算法原理 2、k-means算法流程 3、k-means算法实现 4、对已知数据集进行分析 四、实验结果分析 1.利用python的sklearn库函数对给定的数据集进行聚类分析： 其中数据集选取iris鸢尾花数据集 import numpy as np from sklearn.datasets import load_iris iris = load_iris() def dist(x,y):

return sum(x*y)/(sum(x**2)*sum(y**2))**0.5 def K_means(data=iris.data,k=3,ping=0,maxiter=100): n, m = data.shape centers = data[:k,:] while ping < maxiter: dis = np.zeros([n,k+1]) for i in range(n): for j in range(k): dis[i,j] = dist(data[i,:],centers[j,:]) dis[i,k] = dis[i,:k].argmax() centers_new = np.zeros([k,m]) for i in range(k): index = dis[:,k]==i centers_new[i,:] = np.mean(data[index,:],axis=0) if np.all(centers==centers_new): break centers = centers_new ping += 1 return dis if __name__ == '__main__': res = K_means() print(res) （1）、首先求出样本之间的余弦相似度： sum(x*y)/(sum(x**2)*sum(y**2))**0.5 （2）、设置k类别数为3，最大迭代次数为100 K_means(data=iris.data,k=3,ping=0,maxiter=100):

数据挖掘聚类算法课程设计报告范本

数据挖掘聚类算法课程设计报告

数据挖掘聚类问题(Plants Data Set)实验报告 1.数据源描述 1.1数据特征 本实验用到的是关于植物信息的数据集，其中包含了每一种植物(种类和科属)以及它们生长的地区。数据集中总共有68个地区，主要分布在美国和加拿大。一条数据(对应于文件中的一行)包含一种植物(或者某一科属)及其在上述68个地区中的分布情况。能够这样理解，该数据集中每一条数据包含两部分内容，如下图所示。 图1 数据格式 例如一条数据:abronia fragrans,az,co,ks,mt,ne,nm,nd,ok,sd,tx,ut,wa,wy。其中abronia fragrans是植物名称(abronia是科属，fragrans是名称)，从az一直到wy是该植物的分布区域，采用缩写形式表示，如az代表的是美国Arizona州。植物名称和分布地区用逗号隔开，各地区之间也用逗号隔开。 1.2任务要求 聚类。采用聚类算法根据某种特征对所给数据集进行聚类分析，对于聚类形成的簇要使得簇内数据对象之间的差异尽可能小，簇之间的差距尽可能大。 2.数据预处理

2.1数据清理 所给数据集中包含一些对聚类过程无用的冗余数据。数据集中全部数据的组织结构是：先给出某一科属的植物及其所有分布地区，然后给出该科属下的具体植物及其分布地区。例如：abelmoschus,ct,dc,fl,hi,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi abelmoschus esculentus,ct,dc,fl,il,ky,la,md,mi,ms,nc,sc,va,pr,vi abelmoschus moschatus,hi,pr 上述数据中第行给出了所有属于abelmoschus这一科属的植物的分布地区，接下来的两行分别列出了属于abelmoschus 科属的两种具体植物及其分布地区。从中能够看出后两行给出的所有地区的并集正是第一行给出的地区集合。在聚类过程中第行数据是无用的，因此要对其进行清理。 2.2数据变换 本实验是依据植物的分布区域进行聚类，所给数据集中的分布区域是字符串形式，不适合进行聚类，因此将其变换成适合聚类的数值形式。具体思想如下： 数据集中总共包含68个区域，每一种植物的分布区域是这68个区域中的一部分。本实验中将68个区域看成是数据对象的68个属性，这68个属性是二元类型的变量，其值只能去0或者1。步骤如下： 1.把68个区域按一定顺序存放在字符串数组(记为str)中(顺序能够自己定，确定后不能改变)。

K 均值聚类算法(原理加程序代码)

K-均值聚类算法 1.初始化：选择c 个代表点,...,,321c p p p p 2.建立c 个空间聚类表：C K K K ...,21 3.按照最小距离法则逐个对样本X 进行分类： ),(),,(min arg J i i K x add p x j ?= 4.计算J 及用各聚类列表计算聚类均值，并用来作为各聚类新的代表点（更新代表点） 5.若J 不变或代表点未发生变化，则停止。否则转2. 6.),(1∑∑=∈=c i K x i i p x J δ 具体代码如下： clear all clc x=[0 1 0 1 2 1 2 3 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 8 9;0 0 1 1 1 2 2 2 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 9 9]; figure(1) plot(x(1,:),x(2,:),'r*') %%第一步选取聚类中心，即令K=2 Z1=[x(1,1);x(2,1)]; Z2=[x(1,2);x(2,2)]; R1=[]; R2=[]; t=1; K=1;%记录迭代的次数 dif1=inf; dif2=inf; %%第二步计算各点与聚类中心的距离 while (dif1>eps&dif2>eps) for i=1:20 dist1=sqrt((x(1,i)-Z1(1)).^2+(x(2,i)-Z1(2)).^2); dist2=sqrt((x(1,i)-Z2(1)).^2+(x(2,i)-Z2(2)).^2); temp=[x(1,i),x(2,i)]'; if dist1

数据挖掘主要算法

朴素贝叶斯： 有以下几个地方需要注意： 1. 如果给出的特征向量长度可能不同，这是需要归一化为通长度的向量（这里以文本分类为例），比如说是句子单词的话，则长度为整个词汇量的长度，对应位置是该单词出现的次数。 2. 计算公式如下： 其中一项条件概率可以通过朴素贝叶斯条件独立展开。要注意一点就是的计算方法，而由朴素贝叶斯的前提假设可知， = ，因此一般有两种，一种是在类别为ci的那些样本集中，找到wj出现次数的总和，然后除以该样本的总和；第二种方法是类别为ci的那些样本集中，找到wj出现次数的总和，然后除以该样本中所有特征出现次数的总和。 3. 如果中的某一项为0，则其联合概率的乘积也可能为0，即2中公式的分子为0，为了避免这种现象出现，一般情况下会将这一项初始化为1，当然为了保证概率相等，分母应对应初始化为2（这里因为是2类，所以加2，如果是k类就需要加k，术语上叫做laplace 光滑, 分母加k的原因是使之满足全概率公式）。 朴素贝叶斯的优点： 对小规模的数据表现很好，适合多分类任务，适合增量式训练。 缺点： 对输入数据的表达形式很敏感。 决策树： 决策树中很重要的一点就是选择一个属性进行分枝，因此要注意一下信息增益的计算公式，并深入理解它。 信息熵的计算公式如下:

其中的n代表有n个分类类别（比如假设是2类问题，那么n=2）。分别计算这2类样本在总样本中出现的概率p1和p2，这样就可以计算出未选中属性分枝前的信息熵。 现在选中一个属性xi用来进行分枝，此时分枝规则是：如果xi=vx的话，将样本分到树的一个分支；如果不相等则进入另一个分支。很显然，分支中的样本很有可能包括2个类别，分别计算这2个分支的熵H1和H2,计算出分枝后的总信息熵H’=p1*H1+p2*H2.，则此时的信息增益ΔH=H-H’。以信息增益为原则，把所有的属性都测试一边，选择一个使增益最大的属性作为本次分枝属性。 决策树的优点： 计算量简单，可解释性强，比较适合处理有缺失属性值的样本，能够处理不相关的特征； 缺点： 容易过拟合（后续出现了随机森林，减小了过拟合现象）； Logistic回归： Logistic是用来分类的，是一种线性分类器，需要注意的地方有： 1. logistic函数表达式为： 其导数形式为： 2. logsitc回归方法主要是用最大似然估计来学习的，所以单个样本的后验概率为： 到整个样本的后验概率：

各种聚类算法的比较

各种聚类算法的比较 聚类的目标是使同一类对象的相似度尽可能地小；不同类对象之间的相似度尽可能地大。目前聚类的方法很多，根据基本思想的不同，大致可以将聚类算法分为五大类：层次聚类算法、分割聚类算法、基于约束的聚类算法、机器学习中的聚类算法和用于高维度的聚类算法。摘自数据挖掘中的聚类分析研究综述这篇论文。 1、层次聚类算法 1.1聚合聚类 1.1.1相似度依据距离不同：Single-Link:最近距离、Complete-Link：最远距离、Average-Link：平均距离 1.1.2最具代表性算法 1）CURE算法 特点：固定数目有代表性的点共同代表类 优点：识别形状复杂，大小不一的聚类，过滤孤立点 2）ROCK算法 特点：对CURE算法的改进 优点：同上，并适用于类别属性的数据 3）CHAMELEON算法 特点：利用了动态建模技术 1.2分解聚类 1.3优缺点 优点：适用于任意形状和任意属性的数据集；灵活控制不同层次的聚类粒度，强聚类能力 缺点：大大延长了算法的执行时间，不能回溯处理 2、分割聚类算法 2.1基于密度的聚类 2.1.1特点 将密度足够大的相邻区域连接，能有效处理异常数据，主要用于对空间数据的聚类

1）DBSCAN：不断生长足够高密度的区域 2）DENCLUE：根据数据点在属性空间中的密度进行聚类，密度和网格与处理的结合 3）OPTICS、DBCLASD、CURD：均针对数据在空间中呈现的不同密度分不对DBSCAN作了改进 2.2基于网格的聚类 2.2.1特点 利用属性空间的多维网格数据结构，将空间划分为有限数目的单元以构成网格结构； 1）优点：处理时间与数据对象的数目无关，与数据的输入顺序无关，可以处理任意类型的数据 2）缺点：处理时间与每维空间所划分的单元数相关，一定程度上降低了聚类的质量和准确性 2.2.2典型算法 1）STING：基于网格多分辨率，将空间划分为方形单元，对应不同分辨率2）STING+：改进STING，用于处理动态进化的空间数据 3）ＣＬＩＱＵＥ：结合网格和密度聚类的思想，能处理大规模高维度数据4）WaveCluster：以信号处理思想为基础 2.3基于图论的聚类 2.3.1特点 转换为组合优化问题，并利用图论和相关启发式算法来解决，构造数据集的最小生成数，再逐步删除最长边 1）优点：不需要进行相似度的计算 2.3.2两个主要的应用形式 1）基于超图的划分 2）基于光谱的图划分 2.4基于平方误差的迭代重分配聚类 2.4.1思想 逐步对聚类结果进行优化、不断将目标数据集向各个聚类中心进行重新分配以获最优解