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k-means聚类和fcm聚类的原理概念摘要：一、聚类分析概述1.定义与作用2.常用的聚类算法二、K-means 聚类原理1.算法基本思想2.计算过程3.特点与优缺点三、FCM 聚类原理1.算法基本思想2.计算过程3.特点与优缺点四、K-means 与FCM 聚类的比较1.相似之处2.不同之处3.适用场景正文：一、聚类分析概述聚类分析是一种无监督学习方法，通过将相似的数据对象归为一类，从而挖掘数据集的潜在结构和模式。
聚类分析在数据挖掘、模式识别、图像处理、生物学研究等领域具有广泛应用。
常用的聚类算法有K-means 聚类和FCM 聚类等。
二、K-means 聚类原理1.算法基本思想K-means 聚类是一种基于划分的聚类方法，通过迭代计算数据点与当前中心点的距离，将数据点分配到距离最近的中心点所属的簇，然后更新中心点。
这个过程持续进行，直到满足停止条件。
2.计算过程（1）随机选择k 个数据点作为初始中心点。
（2）计算其他数据点与初始中心点的距离，将数据点分配到距离最近的簇。
（3）计算每个簇的中心点。
（4）重复步骤2 和3，直到中心点不再发生变化或达到最大迭代次数。
3.特点与优缺点特点：简单、易于实现，适用于大规模数据集。
优点：可以处理大规模数据集，对噪声数据具有一定的鲁棒性。
缺点：对初始中心点敏感，可能导致局部最优解；计算过程中需要反复计算距离，计算量较大。
三、FCM 聚类原理1.算法基本思想FCM 聚类是一种基于模糊划分的聚类方法，通过计算数据点与当前中心点的模糊距离，将数据点分配到距离最近的簇。
模糊距离是基于隶属度函数计算的，可以反映数据点对簇的隶属程度。
2.计算过程（1）随机选择k 个数据点作为初始中心点。
（2）计算其他数据点与初始中心点的模糊距离，将数据点分配到距离最近的簇。
（3）计算每个簇的中心点。
（4）重复步骤2 和3，直到中心点不再发生变化或达到最大迭代次数。
3.特点与优缺点特点：考虑了数据点对簇的隶属程度，具有更好的全局优化性能。
常见的六大聚类算法六大常见的聚类算法包括K-means聚类算法、层次聚类算法、DBSCAN 算法、OPTICS算法、谱聚类算法和高斯混合模型聚类算法。
1. K-means聚类算法：K-means聚类算法是一种基于距离的聚类算法，它通过最小化数据点与聚类中心之间的欧氏距离来划分数据点。
算法的步骤如下：a.随机选择K个聚类中心。
b.将每个数据点分配到距离最近的聚类中心。
c.更新聚类中心为选定聚类的平均值。
d.重复步骤b和c直到聚类中心不再改变或达到最大迭代次数。
2.层次聚类算法：层次聚类算法是一种自底向上或自顶向下递归地将数据划分成不同的聚类的方法。
它通过计算数据点之间的距离或相似度来判断它们是否应该被合并到同一个聚类中。
算法的步骤如下：a.初始化每个数据点为一个单独的聚类。
b.计算两个最近的聚类之间的距离或相似度。
c.合并两个最近的聚类，形成一个新的聚类。
d.重复步骤b和c直到所有数据点都被合并到一个聚类中。
3.DBSCAN算法：DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applicationswith Noise）算法是一种基于密度的聚类算法，它通过寻找具有足够密度的数据点来划分聚类。
算法的步骤如下：a.随机选择一个未被访问的数据点。
b.如果该数据点的密度达到预设的阈值，则将其归为一个聚类，同时将其相邻且密度达到阈值的数据点添加到聚类中。
c.重复步骤a和b直到所有数据点都被访问。
4.OPTICS算法：OPTICS（Ordering Points To Identify the Clustering Structure）算法是一种基于密度的聚类算法，它通过将数据点按照密度排序来划分聚类。
算法的步骤如下：a.计算每个数据点的可达距离和局部可达密度。
b.根据可达距离和局部可达密度排序所有数据点。
c.根据可达距离和阈值划分聚类。
d.重复步骤b和c直到所有数据点都被访问。
聚类（clustering ）就是将一个数据集分成多个簇（cluster ）或类，使得在同一类簇中的数据样本点之间具有相对高的相似度，而不同类簇中的数据样本点差别较大。
根据聚类的结果可以从数据中发现规律和知识，探索出藏在数据之后的规律和模式。
聚类算法被普遍地运用在数据科学分析和实际工程领域中[1-4]，经过许多国内外研究人员的努力，产生了许多优秀的聚类算法，根据研究方向和算法实现原理的不同，目前聚类算法可划分为基于密度的方法、基于网格的方法、基于层次的方法、基于模型的方法和基于划分式方法等五种主流方法[5]。
模糊C 均值（Fuzzy C-Means ，FCM ）算法[6]是基于划分式的聚类算法，此算法的基本思想是引入隶属度概念来量化样本点从属于每个类簇的数值大小，由此进行划分判断，使得划分到同一类簇的样本间相似度最大、不同类簇的样本间相似度最小，已达到对数据集划分为各类簇的目的，在模式识别、数据挖掘、数据分析、矢量量化以及图像分割等领域应用比较广泛[7-8]。
FCM 算法是C-Means 算法的衍生改进算法，C-Means 算法对数据集划分属于硬性、具体的划分，但FCM 算法对数据集的⦾理论与研发⦾基金项目：国家自然科学基金（61762046）；江西省教育厅科技重点项目（GJJ160599）；江西省自然科学基金（20161BAB212048）。
作者简介：兰红（1969—），女，博士，教授，硕士生导师，CCF 会员，研究领域为图像处理、模式识别，E-mail ：；黄敏（1996—），男，硕士研究生，研究领域为图像处理、深度学习。
收稿日期：2020-05-05修回日期：2020-08-24文章编号：1002-8331（2021）09-0081-08融合KNN 优化的密度峰值和FCM 聚类算法兰红，黄敏江西理工大学信息工程学院，江西赣州341000摘要：针对模糊C 均值（Fuzzy C-Means ，FCM ）聚类算法对初始聚类中心和噪声敏感、对边界样本聚类不够准确且易收敛于局部极小值等问题，提出了一种K 邻近（KNN ）优化的密度峰值（DPC ）算法和FCM 相结合的融合聚类算法（KDPC-FCM ）。
机器学习中的聚类与分类算法机器学习是指通过计算机算法，让计算机从数据中学习和发现规律，从而实现自主决策和预测能力的一门学科。
在机器学习中，聚类和分类是两种常见的算法方法。
本文将介绍聚类和分类的算法原理、应用场景以及它们在机器学习中的作用。
一、聚类算法聚类算法是一种无监督学习方法，它通过对数据集中的样本进行相似性度量，将相似的样本划分到同一类别中。
聚类算法的目标是最大化类内的相似性，同时最小化类间的相似性。
1. K-means算法K-means算法是一种经典的聚类算法，通过迭代的方式将数据点分为K个簇。
具体步骤如下：（1）随机选择K个中心点作为初始簇心；（2）计算每个数据点与簇心的距离，并将其归属到距离最近的簇中；（3）重新计算每个簇的簇心；（4）重复步骤2和步骤3，直到簇心不再发生变化或者达到迭代次数的上限。
2. 层次聚类算法层次聚类算法将数据点按照层次结构进行聚类，可分为自底向上和自顶向下两种方式。
（1）自底向上：开始时将每个数据点作为一个簇，然后将相似性最高的两个簇合并成一个簇，直到只剩下一个簇。
（2）自顶向下：开始时将所有数据点作为一个簇，然后逐步分裂成多个簇，直到每个簇只包含一个数据点。
二、分类算法分类算法是一种监督学习方法，它通过已有的带有标签的数据集训练一个模型，根据模型对未知数据进行分类。
分类算法的目标是根据已有的数据与标签之间的关系建立一个分类模型，用于预测未知数据的分类。
1. 决策树算法决策树算法是一种以树形结构表示决策规则的分类模型。
它通过逐步选择与数据集特征相对最优的划分点，并根据特征值将数据集划分为不同的子集。
决策树的构建过程类似于将数据集分成多个子问题进行解决的过程。
2. 支持向量机算法支持向量机算法是一种通过将数据映射到高维空间，然后在高维空间中寻找最优超平面的分类方法。
支持向量机在分类问题中以最大化间隔来划分不同类别的数据，从而提高分类性能。
三、聚类与分类的应用场景1. 聚类的应用场景聚类广泛应用于用户分群、图像分割、异常检测等领域。
聚类就是按照某个特定标准把一个数据集分割成不同的类或簇，使得同一个簇内的数据对象的相似性尽可能大，同时不在同一个簇中的数据对象的差异性也尽可能地大。
即聚类后同一类的数据尽可能聚集到一起，不同类数据尽量分离。
主要的聚类算法可以划分为如下几类：划分方法、层次方法、基于密度的方法、基于网格的方法以及基于模型的方法。
下面主要对k-means聚类算法、凝聚型层次聚类算法、神经网络聚类算法之SOM,以及模糊聚类的FCM算法通过通用测试数据集进行聚类效果的比较和分析。
k-means聚类算法k-means是划分方法中较经典的聚类算法之一。
由于该算法的效率高，所以在对大规模数据进行聚类时被广泛应用。
目前，许多算法均围绕着该算法进行扩展和改进。
k-means算法以k为参数，把n个对象分成k个簇，使簇内具有较高的相似度，而簇间的相似度较低。
k-means算法的处理过程如下：首先，随机地选择k个对象，每个对象初始地代表了一个簇的平均值或中心;对剩余的每个对象，根据其与各簇中心的距离，将它赋给最近的簇;然后重新计算每个簇的平均值。
这个过程不断重复，直到准则函数收敛。
通常，采用平方误差准则，其定义如下：E=\sum_{i=1}^{k}\sum_{p\in C_i}\left\|p-m_i\right\|^2这里E是数据中所有对象的平方误差的总和，p是空间中的点，$m_i$是簇$C_i$的平均值[9]。
该目标函数使生成的簇尽可能紧凑独立，使用的距离度量是欧几里得距离，当然也可以用其他距离度量。
算法流程：输入：包含n个对象的数据和簇的数目k；输出：n个对象到k个簇，使平方误差准则最小。
步骤：(1) 任意选择k个对象作为初始的簇中心；(2) 根据簇中对象的平均值，将每个对象(重新)赋予最类似的簇；(3) 更新簇的平均值，即计算每个簇中对象的平均值；(4) 重复步骤(2)、(3)直到簇中心不再变化；层次聚类算法根据层次分解的顺序是自底向上的还是自上向下的，层次聚类算法分为凝聚的层次聚类算法和分裂的层次聚类算法。
聚类分割算法聚类分割算法是一类常用于将数据集划分成具有相似特征的子集的方法。
这些算法主要用于无监督学习，即在没有先验标签的情况下，自动发现数据集内在的模式。
以下是一些常见的聚类分割算法：1. K均值聚类（K-Means Clustering）：- K均值是最常见的聚类算法之一。
它将数据集分为K个簇，每个簇由其质心表示。
算法的目标是使每个数据点到其所属簇的质心的距离最小化。
2. 层次聚类（Hierarchical Clustering）：-层次聚类根据数据点之间的相似性构建树状结构。
可以通过聚合或分割来创建簇。
分为凝聚式层次聚类（自底向上）和分裂式层次聚类（自顶向下）。
3. DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）：- DBSCAN基于密度的聚类算法，能够发现具有足够密度的区域，并将稀疏区域视为噪声。
它不需要预先指定簇的数量。
4. Mean Shift聚类：- Mean Shift是一种基于梯度上升的聚类算法。
它通过不断迭代调整数据点的位置，使其移向密度最大的区域，从而找到簇的中心。
5. OPTICS（Ordering Points To Identify the Clustering Structure）：- OPTICS是一种基于密度的聚类算法，类似于DBSCAN，但允许在数据集中存在不同密度的区域，并通过产生一系列密度相关的点来表示簇。
6. 谱聚类（Spectral Clustering）：-谱聚类利用数据集的谱信息，通过将数据投影到低维子空间来执行聚类。
它在处理非凸形状的簇和图分割问题时效果较好。
7. 模糊聚类（Fuzzy Clustering）：-模糊聚类考虑了数据点与簇的隶属度，而不是将每个数据点硬性地分配到一个簇。
模糊c均值（FCM）是模糊聚类的一个典型算法。
这只是聚类分割算法的一小部分，每个算法都有其适用的场景和限制。
FCM聚类算法介绍FCM(Fuzzy C-Means)聚类算法是一种基于模糊理论的聚类算法，它能够将数据集中的样本划分为多个类别，并赋予每个样本属于每个类别的概率。
FCM算法在数据挖掘、模式识别、图像处理等领域都有广泛的应用。
FCM算法基于C-Means聚类算法的改进，它克服了传统聚类算法中样本只能属于一个类别的缺点。
在FCM算法中，每个样本都被赋予属于每个类别的隶属度，这个隶属度表示了样本与每个类别的相似程度。
FCM算法的核心思想是通过最小化样本与各个类别中心点之间的距离，来获得合适的类别划分和隶属度。
FCM算法的主要步骤如下：1.确定聚类数目k和迭代终止条件。
用户需要确定划分的类别数目k，同时需要设定迭代的终止条件，一般为允许的最大迭代次数或聚类中心点的最小变化量。
2.初始化隶属度矩阵U。
隶属度矩阵U的大小为(n,k)，其中n为样本数量，k为类别数目。
隶属度矩阵U中的每个元素表示样本属于一些类别的概率，初始时可以随机赋值或者根据一定规则进行赋值。
3.计算类别中心点的坐标。
根据隶属度矩阵U，可以计算得到每个类别的中心点坐标，通常使用“加权平均法”来计算。
4.更新隶属度矩阵U。
通过计算样本与类别中心点之间的距离，可以更新隶属度矩阵U，使得每个样本属于每个类别的隶属度符合要求。
5.判断迭代是否终止。
比较当前的隶属度矩阵U与上一次的隶属度矩阵U之间的变化量，如果小于设定的终止条件，则停止迭代；否则，返回第3步，继续迭代。
6.输出聚类结果。
最终得到的隶属度矩阵U可以用来判断每个样本属于哪个类别，将样本划分到相应的类别中。
FCM算法的优点是能够划分模糊的、难以界定的样本，并且对于噪声和异常点具有一定的鲁棒性。
同时，FCM算法利用隶属度矩阵U可以将样本分布到多个类别中，使得分类结果更加灵活。
然而，FCM算法也存在一些不足之处。
首先，FCM算法对初始聚类中心点的选择较为敏感，不同的初始点可能会得到不同的聚类结果。
列举常用聚类算法聚类算法是一种将数据集中的相似数据分组的方法。
它是无监督学习的一种应用，可以在没有标签或类别信息的情况下对数据进行分类。
在机器学习和数据挖掘中，聚类算法被广泛应用于数据分析、图像处理、模式识别等领域。
本文将列举常用的聚类算法。
一、K均值聚类算法（K-means Clustering）K均值聚类算法是一种基于距离度量的聚类方法，它将数据集划分为K 个簇，每个簇包含距离其它簇最近的点。
该算法首先随机选择K个点作为初始质心，然后将每个点分配到与其距离最近的质心所在的簇中，并计算每个簇内所有点的平均值作为新的质心。
重复以上过程直到质心不再改变或达到预定迭代次数。
二、层次聚类算法（Hierarchical Clustering）层次聚类算法是一种自下而上或自上而下逐步合并或拆分簇来建立层次结构的方法。
该算法有两种实现方式：凝聚层次聚类和分裂层次聚类。
凝聚层次聚类从每个数据点开始，将它们逐步合并成越来越大的簇，直到所有点都被合并为一个簇。
分裂层次聚类从整个数据集开始，将其逐步拆分成越来越小的簇，直到每个簇只包含一个点。
三、DBSCAN聚类算法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）DBSCAN聚类算法是一种基于密度的聚类方法，它可以识别任意形状的簇，并能够自动排除离群值。
该算法首先选择一个未访问的核心点作为起始点，并找到其可达范围内的所有点，并将它们加入同一簇中。
然后继续寻找未访问的核心点，并重复以上过程直到所有核心点都被访问完毕。
四、谱聚类算法（Spectral Clustering）谱聚类算法是一种基于图论和线性代数的聚类方法，它将数据集看作是一个图，在图上进行划分。
该算法首先构建一个相似度矩阵或邻接矩阵，并通过特征值分解或奇异值分解来获取特征向量和特征值。
然后将特征向量作为新的数据集，使用K均值或层次聚类等方法对其进行聚类。
一、K 近邻算法1.算法思想取未知样本的x 的k 个近邻,看这k 个近邻中多数属于哪一类，就把x 归于哪一类。
具体说就是在N 个已知的样本中,找出x 的k 个近邻。
设这N 个样本中，来自1w 类的样本有1N 个，来自2w 的样本有2N 个，...，来自c w 类的样本有c N 个，若c k k k ,,,21⋯分别是k 个近邻中属于c w w w ,,,21⋯类的样本数，则我们可以定义判别函数为：ci k x g i i ,,2,1,)(⋯==决策规则为：若i ij k x g max )(=，则决策j w x ∈2.程序代码%KNN 算法程序function error=knn(X,Y,K)%error 为分类错误率data=X;[M,N]=size(X);Y0=Y;[m0,n0]=size(Y);t=[123];%3类向量ch=randperm(M);%随机排列1—Merror=0;for i=1:10Y1=Y0;b=ch(1+(i-1)*M/10:i*M/10);X1=X(b,:);X(b,:)=[];Y1(b,:)=[];c=X;[m,n]=size(X1);%m=15,n=4[m1,n]=size(c);%m1=135,n=4for ii=1:mfor j=1:m1ss(j,:)=sum((X1(ii,:)-c(j,:)).^2);end[z1,z2]=sort(ss);%由小到大排序hh=hist(Y1(z2(1:K)),t);[w,best]=max(hh);yy(i,ii)=t(best);%保存修改的分类结果enderror=error+sum(Y0(b,:)~=yy(i,:)');X=data;enderror=error/M;%算法主程序：clcclear allload iris.mat%iris.mat中存放X为150*4的iris数据，Y为150*1的分类结果，以下均使用该数据n=0;for i=1:10error=knn(X,Y,1);n=n+error;endcorrect=1-n/103.程序运行结果做十折交叉验证得到：当K=1时，正确分类概率为：0.9587当K=3时，正确分类概率为：0.9613当K=5时，正确分类概率为：0.9640当K=7时，正确分类概率为：0.9653当K=10时，正确分类概率为：0.9667当K=30时，正确分类概率为：0.9480当K=60时，正确分类概率为：0.90274.结果分析从以上的结果我们可以看出当k较小时，随着k的增加，其正确分类的概率也逐渐增加；然而当k增加到一定的值时，即k取较大的值时，随着k的增加，其正确率并没有随之增加，反而大大降低了。
kmean计算聚类中心点K-means是一种常用的聚类算法，用于将数据集分成多个类别，并找出每个类别的聚类中心点。
在本文中，我们将讨论K-means算法的原理、应用和优缺点。
一、K-means算法原理K-means算法是一种迭代的聚类算法，其基本步骤如下：1. 初始化：随机选择K个数据点作为初始聚类中心点。
2. 分类：将数据集中的每个数据点分配到与其最近的聚类中心点所属的类别。
3. 更新：根据每个类别中的数据点，重新计算聚类中心点的位置。
4. 重复步骤2和步骤3，直到聚类中心点的位置不再改变，或者达到预定的迭代次数。
二、K-means算法应用K-means算法在数据挖掘和机器学习领域被广泛应用，例如：1. 客户细分：根据客户的消费行为和偏好，将客户分成不同的群体，以便进行个性化的营销策略。
2. 图像压缩：通过将相似的像素点归为一类，用聚类中心点来代替这些像素点，从而实现图像的压缩。
3. 文本分类：将文本数据根据语义和主题进行分类，以便进行信息检索、情感分析等应用。
4. 基因表达谱聚类：将基因表达谱数据分成不同的基因簇，以便研究基因的功能和相互作用。
三、K-means算法优缺点K-means算法具有以下优点：1. 简单而高效：K-means算法的原理和实现都相对简单，计算效率较高。
2. 可解释性强：K-means算法的结果易于理解和解释，每个聚类中心点代表一个类别。
3. 可扩展性好：K-means算法适用于大规模的数据集，并且可以通过并行化和分布式计算来加速处理。
然而，K-means算法也存在一些缺点：1. 对初始聚类中心点敏感：初始聚类中心点的选择可能导致不同的聚类结果，需要多次运行算法来选择最佳结果。
2. 需要预先指定聚类数量：K-means算法需要事先确定聚类的数量K，而这个值可能不容易确定。
3. 对离群点敏感：离群点的存在可能会对聚类的结果产生较大的影响，导致聚类中心点偏离实际的数据分布。
