基于密度方法的聚类PPT

聚类分析（五）——基于密度的聚类算法OPTICS 1 什么是OPTICS算法在前⾯介绍的DBSCAN算法中，有两个初始参数E（邻域半径）和minPts(E邻域最⼩点数)需要⽤户⼿动设置输⼊，并且聚类的类簇结果对这两个参数的取值⾮常敏感，不同的取值将产⽣不同的聚类结果，其实这也是⼤多数其他需要初始化参数聚类算法的弊端。

为了克服DBSCAN算法这⼀缺点，提出了OPTICS算法（Ordering Points to identify theclustering structure）。

OPTICS并不显⽰的产⽣结果类簇，⽽是为聚类分析⽣成⼀个增⼴的簇排序（⽐如，以可达距离为纵轴，样本点输出次序为横轴的坐标图），这个排序代表了各样本点基于密度的聚类结构。

它包含的信息等价于从⼀个⼴泛的参数设置所获得的基于密度的聚类，换句话说，从这个排序中可以得到基于任何参数E和minPts的DBSCAN算法的聚类结果。

2 OPTICS两个概念核⼼距离：对象p的核⼼距离是指是p成为核⼼对象的最⼩E’。

如果p不是核⼼对象，那么p的核⼼距离没有任何意义。

可达距离：对象q到对象p的可达距离是指p的核⼼距离和p与q之间欧⼏⾥得距离之间的较⼤值。

如果p不是核⼼对象，p和q之间的可达距离没有意义。

例如：假设邻域半径E=2, minPts=3，存在点A(2,3),B(2,4),C(1,4),D(1,3),E(2,2),F(3,2)点A为核⼼对象，在A的E领域中有点{A,B,C,D,E,F}，其中A的核⼼距离为E’=1，因为在点A的E’邻域中有点{A,B,D,E}>3;点F到核⼼对象点A的可达距离为，因为A到F的欧⼏⾥得距离，⼤于点A的核⼼距离1.3 算法描述OPTICS算法额外存储了每个对象的核⼼距离和可达距离。

基于OPTICS产⽣的排序信息来提取类簇。

算法描述如下：算法：OPTICS输⼊：样本集D, 邻域半径E, 给定点在E领域内成为核⼼对象的最⼩领域点数MinPts输出：具有可达距离信息的样本点输出排序⽅法：1 创建两个队列，有序队列和结果队列。

基于密度方法的聚类密度方法是一种无参数的聚类算法，通过计算数据点周围的密度来确定聚类结构。

它不需要预设聚类数目，适用于各种类型的数据，具有较强的鲁棒性和灵活性。

本文将详细介绍密度方法的原理和算法流程，并讨论其优缺点以及应用领域。

密度方法聚类的核心思想是根据数据点周围的密度，将数据点划分到不同的聚类簇中。

密度是通过计算点在给定半径内邻近点的数量来衡量的。

在密度方法中，每个数据点被分为三种类型：核心点（core point）、边界点（border point）和噪声点（noise point）。

核心点是在给定半径内有足够数量邻近点的点，它们属于一个聚类簇的核心部分。

边界点是在给定半径内没有足够数量邻近点，但邻近点中包含核心点的点，边界点位于聚类簇的边界上。

噪声点是在给定半径内没有足够数量邻近点并且邻近点也不包含核心点的点，噪声点不属于任何聚类簇。

密度方法的算法流程如下：1.初始化点集D和给定半径ε。

2.遍历所有点p∈D，计算p的ε-邻域内的点的数量，如果数量大于等于给定阈值，将p标记为核心点。

3.将所有邻近核心点的点标记为边界点。

4.如果没有边界点，则算法结束。

5.如果存在边界点，则选取一个未被访问的边界点，将其加入当前聚类簇C，并递归地将其邻近核心点加入C。

6.重复步骤5，直到无法找到更多的邻近点，此时一个聚类簇形成。

7.将所有已被访问的点从D中删除，返回步骤2密度方法聚类的优点在于它可以自动发现任意形状的聚类簇，并且对噪声点具有较好的鲁棒性。

它不需要预设聚类数目，适用于各种类型的数据。

此外，密度方法还可以处理大规模数据集，具有较高的可扩展性。

然而，密度方法也存在一些缺点。

首先，密度方法对于参数的选择比较敏感，需要根据具体数据集进行调参。

其次，密度方法对于高维数据和密集型数据表现不佳，容易出现维度灾难。

此外，密度方法在处理不同密度之间的聚类问题时，可能会受到密度比例的影响。

密度方法聚类在多个领域和应用中得到了广泛的应用。

基于密度峰值法的设计理性聚类方法密度峰值方法是一种用于聚类的有效方法，它能够在不需要事先指定聚类数量的情况下，从数据中识别出聚类的中心和边界。

该方法通过对每个样本点周围的密度进行分析，找到具有较高密度并较远离其他样本的点作为聚类中心，然后通过连接这些聚类中心来确定聚类的边界。

设计理性聚类方法时，需要确定以下三个主要步骤：密度估计、聚类中心的选择和聚类边界的确定。

首先，在密度估计阶段，我们需要计算每个样本点的密度。

一种常用的方法是使用高斯核函数对每个样本点周围的密度进行估计。

高斯核函数可以度量一个点在一个给定半径内的邻居数量，并将其作为密度值。

在此过程中，我们需要选择一个合适的半径，既不太小以至于无法识别聚类，也不太大以至于将多个聚类合并为一类。

接下来，在聚类中心的选择阶段，我们选择具有较高密度的样本点作为聚类中心。

这些聚类中心是那些在其周围具有较高密度的点，同时远离其他较高密度的点。

这些点被认为是聚类的核心点，它们定义了聚类的中心。

可以将这些核心点视为具有最高密度的样本点，它们代表了数据中的主要聚类。

与传统的聚类方法相比1.不需要事先指定聚类数量：传统聚类方法需要事先指定聚类数量，而基于密度峰值法的设计理性聚类方法可以从数据中自动发现聚类的中心和边界，无需这种先验知识。

2.能够处理不规则形状的聚类：传统聚类方法通常假设聚类是凸的，而基于密度峰值法的设计理性聚类方法可以发现任意形状的聚类，从而更好地适应不同类型的数据。

3.对噪声数据具有较好的鲁棒性：基于密度峰值法的设计理性聚类方法通过密度估计和聚类中心选择，能够较好地识别并排除噪声数据，从而提高聚类的准确性和鲁棒性。

在应用方面，基于密度峰值法的设计理性聚类方法已被成功应用于各种领域，例如图像分割、网络分析和模式识别等。

其中，图像分割是一个重要的应用领域，密度峰值方法可以将图像中的像素点聚类为不同的区域，从而实现图像的分割和目标提取。

此外，在网络分析中，该方法可以通过分析网络节点的连接信息，找到具有较高网络密度的关键节点，从而帮助我们理解复杂网络结构。

基于密度聚类方法密度聚类是一种常见的无监督学习方法，它通过将数据点组织成高密度区域并利用稀疏区域之间的距离来实现聚类。

在密度聚类中，密度被用作数据点之间相似性的度量，而不是基于数据点之间的距离。

密度聚类的一个主要优势是它不受固定聚类数目的约束。

相比于其他聚类算法如K均值聚类，密度聚类能够处理数据中的噪声和异常值，并发现任意形状和大小的聚类簇。

因此，密度聚类广泛应用于图像分割、异常检测、社交网络分析等领域。

密度聚类的核心思想是找到具有相似密度的数据点，并将它们组织成簇。

为了实现这个目标，密度聚类算法通常需要定义以下两个关键参数：邻域半径(ε)和邻域内最小数据点数量(MinPts)。

具体来说，密度聚类算法的步骤如下：1. 随机选择一个数据点作为起始点。

2. 找到其邻域内所有距离起始点小于ε的数据点，并将其标记为核心点。

3. 对每个核心点，进一步检查其邻域内是否有超过MinPts个的其他核心点。

如果有，则将这些核心点连接起来形成一个簇。

4. 对于已被标记为核心点但不满足MinPts的数据点，将其标记为边界点。

5. 对于未被标记的数据点，将其标记为噪声点。

6. 重复上述步骤，直到所有数据点都被遍历过。

密度聚类算法的一个关键步骤是确定合适的ε和MinPts。

ε的选择要依赖于数据的特点，可以通过预处理或经验选择。

而MinPts的选择可以通过观察到达图(density reachability graph)的斜率来进行。

当斜率开始收敛时，可以选择对应的MinPts值。

密度聚类具有以下优点：1. 能够处理任意形状和大小的聚类簇，不受聚类数目的限制。

2. 对噪声和异常值具有鲁棒性。

3. 不需要先验知识或标签，适用于无监督学习场景。

4. 相对较快地处理大规模数据集。

然而，密度聚类算法也存在一些注意事项和局限性：1. 对参数的选择敏感，特别是ε和MinPts的确定。

不同的参数选择可能导致不同的结果。

2. 对于高维数据，密度聚类效果可能较差，因为高维空间中数据稀疏性的问题。

基于密度峰值的聚类算法基于密度峰值的聚类算法（Density Peak Clustering Algorithm）是一种非参数化的聚类算法，它通过计算样本之间的密度和距离来确定聚类的中心，并将样本分配到不同的聚类中。

该算法由Rodriguez和Laio于2024年提出，相比于传统的基于距离的聚类方法，密度峰值聚类算法能够更好地适应数据的分布特点，尤其适用于具有多个不同密度区域的数据集。

密度峰值聚类算法的核心思想是通过计算样本之间的密度和距离来确定聚类的中心。

首先，算法计算每个样本的局部密度，表示样本周围一定半径范围内的样本数量。

然后，对于每个样本，算法计算其到其他样本的最小距离，即距离最近的样本的距离。

最后，根据每个样本的局部密度和最小距离，算法确定每个样本的密度峰值，并将样本分配到不同的聚类中。

密度峰值聚类算法的具体步骤如下：1.计算每个样本的局部密度：对于每个样本，计算它周围一定半径范围内的样本数量，将该数量作为样本的局部密度。

2.计算每个样本的最小距离：对于每个样本，计算它到其他样本的最小距离，即距离最近的样本的距离。

3.确定样本的密度峰值：根据每个样本的局部密度和最小距离，计算一个可信度值。

该可信度值越大，表示该样本的密度峰值越高，即该样本越有可能是聚类的中心。

4.选择聚类的中心：根据每个样本的可信度值，选择具有较高可信度值的样本作为聚类的中心。

5.分配样本到聚类中：对于每个样本，将其分配到离其最近的可信度值较高的样本所属的聚类中。

6.删除噪声样本：将密度较低的样本划分为噪声，从聚类中移除。

密度峰值聚类算法相比于传统的基于距离的聚类方法具有以下优点：1.相对于传统的聚类方法，密度峰值聚类算法不需要预先指定聚类的个数，能够自动确定聚类的个数。

2.密度峰值聚类算法能够识别具有不同密度的样本簇，并将其分配到不同的聚类中，能够更好地适应数据的分布特点。

3.密度峰值聚类算法对噪声样本具有较好的鲁棒性，能够将噪声样本划分为独立的聚类或从聚类中移除。

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;邓　苏　教授,主要研究方向为指挥自动化、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№12　基于相对密度的聚类算法3)刘青宝　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　基于密度的聚类算法因其抗噪声能力强和能发现任意形状的簇等优点,在聚类分析中被广泛采用,本文提出的基于相对密度的聚类算法,在继承上述优点的基础上,有效地解决了基于密度的聚类结果对参数值过于敏感、参数值难以设置以及高密度簇完全被相连的低密度簇所包含等问题。

关键词　聚类,K 近邻,聚类参数,相对密度　R elative Density 2based Clustering AlgorithmL IU Qing 2Bao DEN G Su ZHAN G Wei 2Ming(College of Information System and Management ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073)Abstract With strong ability of discovery arbitrary shape clusters and handling noise ,density based clustering is one of primary methods for data mining.This paper provides a clustering algorithm based on relative density ,which efficiently resolves these problem of being very sensitive to the user 2defined parameters and too difficult for users to determine the parameters.K eyw ords Clustering ,K 2nearest neighbors ,Clustering parameter ,Relative density 聚类分析是一种重要的人类行为,已经广泛地应用在许多领域,包括模式识别、数据分析、图像处理,以及市场研究。

一种基于密度的空间聚类算法
谱聚类（Spectral Clustering）是一种基于密度的空间聚类算法，旨在根据空间结构，以聚类分隔为几个部分。

这种算法指出，当数据点之间存在一定距离关系时，数据点可以被组织为多个簇，这些簇可以抽象为一个谱，其聚类依赖于谱上的谱级而进行划分。

谱聚类既考虑了空间关系，又考虑了数据的相似性，并将它们有机结合起来。

谱式聚类将数据抽象为一个图模型，模型中的顶点是数据点，边是数据点之间的关系，该图通过计算谱级将结果进行聚类，由此引入基于密度的聚类算法。

谱聚类最常用于聚类紧凑性高的数据集，只有在数据的紧凑性较高的情况下，其聚类结果才能表现出较好的聚类效果。

此外，它还具有反应速度快、聚类结果稳定、聚类结果明确的特点，这是让它被广泛使用的最主要原因，使它成为了当今聚类技术中最重要的算法之一。

基于密度的聚类算法
密度聚类算法是一种基于数据密度的聚类方法，主要特点是将数据点结合成聚类，旨在从数据集中查找最相近的点。

不同于传统的聚类算法，它更加侧重于计算空间内点的密度，而不是向量空间的距离。

密度聚类有很多类型，其中著名的算法有：DBSCAN（支持度基因聚类）、OPTICS（离散点优化视觉）以及DENCLUE （离散时间处理）等。

DBSCAN算法是一种基于密度的算法，它建立在空间数据点分布上，结合两个参数即半径（eps）和聚类最小数目（minPoints）来形成聚类。

它做的是，首先通过设定一个半径eps，将不同的点连接起来，组成相互之间距离小于eps的点构成一个新的聚类簇，然后将这些特征点的聚类扩大，直到形成一个稳定的聚类。

这就是DBSCAN算法。

而OPTICS算法则是基于密度的另一种聚类算法，它能够通过使用一个可变的半径来构建密度梯度，将离散点根据密度进行排序，并计算点间的可达距离。

根据密度梯度，它可以更好地分割空间中的离散点，并捕获出数据集中斑点和噪音的细节，从而得到比DBSCAN更具有有效性的结果。

最后，DENCLUE算法的主要思想是将数据由时间轴上的离散分布抽象出来，使用一个可变的高斯函数来计算每个点的密度，该可变半径适应于空间密度的可变程度，能够选择合适的结构来描述每个离散点，从而获取更好的聚类效果。

总而言之，基于密度的聚类算法是一种比较精准的聚类方法，通过设定半径和点的最小数目来形成聚类，从而使得空间中的点更加清晰准确的被整合在一起。

基于密度的聚类分割算法
密度聚类分割算法是一种基于密度的聚类算法。

该算法通过计算样本点的密度，并根据样本点周围的密度进行聚类分割。

在该算法中，首先需要确定邻域关系和密度阈值。

然后，根据密度阈值和邻域关系，将样本点分为核心点、边界点和噪声点。

核心点是指其邻域内的样本点数大于等于密度阈值的样本点，边界点是指其邻域内的样本点数小于密度阈值但是与核心点相连的样本点，噪声点是指既不是核心点也不是边界点的样本点。

接着，对核心点进行聚类，将其邻域内的所有样本点都分配到该核心点所在的簇中。

最后，将边界点分配到与其邻域内的核心点所在的簇相同的簇中。

该算法的优点是可以自适应地确定聚类数目，并且能够处理具有任意形状的聚类。

但是，该算法对密度阈值的选取比较敏感，且需要对邻域关系进行预先定义。

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