谱图聚类算法研究进展

机器学习层谱聚类综述王少将;刘佳;郑锋;潘祎诚【期刊名称】《计算机科学》【年(卷),期】2023(50)1【摘要】聚类分析在机器学习、数据挖掘、生物DNA信息等方面都起着极为关键的作用。

聚类算法从方法学上可分为扁平聚类和层谱聚类。

扁平聚类通常将数据集分为K个并行社区,社区之间没有交集,但现实世界的社区之间多具有不同层次之间的包含关系,因而层谱聚类算法能对数据进行更精细的分析,提供更好的可解释性。

而相比扁平聚类,层谱聚类研究进展缓慢。

针对层谱聚类面临的问题,从对代价函数的选择、聚类结果衡量指标、聚类算法性能等方面入手,调研了大量的相关文献。

其中聚类结果衡量指标主要有模块度、Jaccard指数、标准化互信息、树状图纯度等。

扁平聚类算法中比较经典的算法有K-means算法、标签传播算法、DBSCAN 算法、谱聚类算法等。

层谱聚类算法可以进一步划分为分裂聚类算法和凝聚聚类算法,分裂层谱聚类算法有二分K-means算法和递归稀疏割算法,凝聚层谱聚类算法有经典的Louvain算法、BIRCH算法和近年来提出的HLP算法、PERCH算法及GRINCH算法。

最后,进一步分析了这些算法的优缺点,并总结全文。

【总页数】9页(P9-17)【作者】王少将;刘佳;郑锋;潘祎诚【作者单位】华北计算技术研究所;空军工程大学基础部;北京航空航天大学计算机学院【正文语种】中文【中图分类】TP181【相关文献】1.机器学习中谱聚类方法的研究2.谱聚类算法及其应用综述3.基于信息熵-模糊谱聚类的非均质碎屑岩储层孔隙结构分类4.谱聚类算法及其应用综述5.谱聚类算法研究综述因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

面向高维数据的聚类算法研究随着数据量不断增长，数据维度也越来越高，高维度数据处理已经成为了一个热门的研究领域。

在高维数据处理中，聚类算法是一种非常常见的数据分类方法。

本文将着重探讨面向高维数据的聚类算法的研究现状和发展趋势。

一、高维数据的挑战在高维数据中，样本点变得稀疏，难以表示，同时噪声的影响也更加明显。

为了克服这些问题，传统的聚类算法需要从原始特征进行特征选择，但这种方法并不能完全解决问题。

由于高维数据存在的困难，现代聚类算法已经不再是传统的聚类方法，而是不断调整、优化和创新的一系列技术。

二、K-Means 算法K-Means 算法是一种传统的聚类算法，它使用了平均值来查找数据中的数据点。

该算法的主要缺点是它需要用户指定聚类数量，并且结果不稳定。

但是，该算法在处理低维度数据上被证明是高效的。

对于高维度数据，可以使用类似于K-Means的聚类算法，通过密度、紧凑性和不同类之间的相似性来划分多维数据。

有一类使用经典 K-Means 的扩展算法，比如子空间聚类算法，它通过限制计算到数据的局部子空间中来降低样本的维度。

子空间聚类算法的缺点是需要对数据的特征进行先验处理，且计算复杂度仍然很高。

三、谱聚类算法谱聚类算法是一种基于图论的聚类算法，它将数据点作为图上的节点，并将它们相互连接。

该算法将数据降维到低维矩阵中，并使用线性代数工具对该矩阵进行分析。

其优点是可以从数据内部自适应提取特征，并且能够处理非线性聚类问题。

缺点是算法复杂度高，同时对原始数据的依赖性强。

四、基于密度的聚类算法基于密度的聚类算法是一种受欢迎的聚类算法，它不需要事先指定聚类数量。

该算法是在基于密度的聚类和离群点检测之间进行平衡的，该算法可以帮助识别孤立的群集和局部密度变化，但在高维数据上效果不佳。

五、DBSCANDBSCAN 是一种基于密度的聚类算法，它通过计算特征空间中数据特征点的密度来执行聚类。

这种算法是一个基于密度分区的算法，它不需要预先指定聚类的数量。

谱聚类算法综述一、本文概述谱聚类算法是一种基于图理论的机器学习技术，它在数据分析和模式识别中发挥着重要作用。

本文旨在对谱聚类算法进行全面的综述，从理论基础、算法流程、应用领域以及最新进展等多个方面进行深入的探讨。

我们将简要介绍谱聚类算法的基本概念和原理，包括图论基础、拉普拉斯矩阵、特征值分解等关键知识点。

然后，我们将详细阐述谱聚类算法的基本流程和主要步骤，包括数据预处理、构建相似度矩阵、计算拉普拉斯矩阵、求解特征向量和聚类等。

接下来，我们将重点分析谱聚类算法在不同领域中的应用，如图像处理、社交网络分析、机器学习等，并探讨其在这些领域中取得的成果和优势。

我们还将对谱聚类算法的性能进行评估，包括其时间复杂度、空间复杂度以及聚类效果等方面。

我们将对谱聚类算法的最新研究进展进行综述，包括新的算法模型、优化方法以及应用领域的拓展等方面。

通过对这些最新进展的梳理和总结，我们可以更好地了解谱聚类算法的发展趋势和未来研究方向。

本文旨在对谱聚类算法进行全面的综述和分析，为读者提供一个清晰、系统的认识框架，同时也为该领域的研究者提供有价值的参考和启示。

二、谱聚类算法的基本原理谱聚类算法是一种基于图理论的聚类方法，它通过将数据点视为图中的节点，数据点之间的相似性视为节点之间的边的权重，从而构建出一个加权无向图。

谱聚类的基本原理在于利用图的拉普拉斯矩阵（Laplacian Matrix）的特征向量来进行聚类。

构建相似度矩阵：需要计算数据点之间的相似度，这通常通过核函数（如高斯核函数）来实现，从而构建出一个相似度矩阵。

构建图的拉普拉斯矩阵：根据相似度矩阵，可以构建出图的度矩阵和邻接矩阵，进而得到图的拉普拉斯矩阵。

拉普拉斯矩阵是相似度矩阵和度矩阵之差，它反映了数据点之间的局部结构信息。

求解拉普拉斯矩阵的特征向量：对拉普拉斯矩阵进行特征分解，得到其特征向量。

这些特征向量构成了一个新的低维空间，在这个空间中，相似的数据点更接近，不相似的数据点更远。

＊)基金项目:国家863计划资助项目(2005AA147030)。

蔡晓妍　博士生,主要研究方向为智能信息处理、网络与信息安全;戴冠中　教授,博士生导师,主要研究领域为自动控制、信息安全;杨黎斌　博士生,研究方向为网络与信息安全、嵌入式系统。

计算机科学2008V ol .35№.7　谱聚类算法综述＊)蔡晓妍　戴冠中　杨黎斌(西北工业大学自动化学院　西安710072)摘　要　谱聚类算法是近年来国际上机器学习领域的一个新的研究热点。

谱聚类算法建立在谱图理论基础上,与传统的聚类算法相比,它具有能在任意形状的样本空间上聚类且收敛于全局最优解的优点。

本文首先介绍了图论方法用于聚类的基本理论,然后根据图划分准则对谱聚类算法进行分类,着重阐述了各类中的典型算法,并对算法进行了比较分析,最后进行总结并提出了几个有价值的研究方向。

关键词　谱聚类,谱图理论,图划分　Survey on Spectral C lustering AlgorithmsCA I Xiao -yan DA I Guan -zho ng YA N G Li -bin(C ollege of Autom ation ,Northw estern Polytechnical University ,Xi 'an 710072,China )A bstract Spectral clustering alg orithms a re new ly dev elo ping technique in recent year s .Unlike the traditional cluste -ring alg orithms ,these apply spect ral g raph theo ry to solve the clustering of no n -co nv ex sphere of sample spaces ,so that they can be conver ged to g lo bal o ptimal solution .In this paper ,the clustering principle based o n g raph theory is first in -troduced ,and then spectra l clustering alg orithms are catego rized acco rding to rules of g raph pa rtition ,and typical alg o -rithms are studied emphatically ,as well as their advantage s and disadvantage s are presented in de tail .F inally ,some v al -uable directions fo r fur ther research are pro po sed .Keywords Spec tral clustering ,Spectral g raph theo ry ,G raph par titio n 1　引言聚类分析是机器学习领域中的一个重要分支[1],是人们认识和探索事物之间内在联系的有效手段。

聚类分析算法在数据挖掘中的应用研究随着大数据时代的到来，数据挖掘成为了热门研究领域。

数据挖掘的目的是从大量数据中提取出有价值的信息，进而发现数据之间的关系和规律，以便做出合理的决策。

数据挖掘技术广泛应用于商业、医疗、教育等领域，影响到了我们的生活和工作。

聚类分析是数据挖掘中最常见和重要的技术之一。

它的主要目的是将一组数据划分为若干个簇，使得同一个簇内的数据相似度较高，不同簇之间的数据相似度较低。

聚类分析的结果可以帮助我们更好地理解数据，发现数据的潜在结构和模式。

下面将着重介绍聚类分析算法在数据挖掘中的应用研究。

一、基本概念聚类分析算法是一种无监督学习方法，它不需要依赖先验知识，只需要通过自动学习得到数据的模式和特征。

聚类分析的基本概念如下：1. 簇（Cluster）：簇是聚类分析的核心，它是指一组相似的数据对象，同一个簇内的数据对象具有较高的相似度，而不同簇之间的数据对象具有较低的相似度。

2. 相似度（Similarity）：相似度是用来度量两个数据对象之间的相似程度的指标，它通常采用距离（Distance）或相似度（Similarity）来表示。

距离是指两个数据对象之间的差异程度，例如欧几里得距离、曼哈顿距离、余弦距离等。

相似度是指两个数据对象之间的相似程度，例如皮尔森相关系数、Jaccard距离、汉明距离等。

3. 聚类分析的步骤：聚类分析通常包括以下步骤：（1）选择合适的相似度度量方法和距离函数。

（2）选择合适的聚类算法，例如K-means、层次聚类、DBSCAN等。

（3）确定簇的个数。

（4）对数据进行聚类分析，生成簇的划分结果。

二、主要应用领域1. 社交网络分析社交网络分析是聚类分析的重要应用领域之一。

社交网络中的节点可以看作是数据对象，节点之间的联系可以看作是数据之间的相似度。

通过聚类分析，可以将社交网络中的节点划分为不同的社区，识别出社区内的重要节点和关键联系，从而发现网络的隐含结构和规律。

自适应谱聚类算法研究
自适应谱聚类算法是谱聚类算法的一种改进方法，旨在解决传统谱聚类算法对于数据集的参数选择敏感的问题。

传统的谱聚类算法将数据集转化成一个图的拉普拉斯矩阵，然后对该矩阵进行特征值分解，得到特征向量，最后通过K-means聚类算法对特征向量进行聚类。

传统谱聚类算法的关键
在于如何选择图的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵的参数，例如领域的大小、相似度的度量等。

自适应谱聚类算法通过自适应选择参数，降低了对参数选择的依赖性。

具体而言，自适应谱聚类算法首先对原始数据集进行降维处理，以减少计算复杂度和避免维度灾难。

然后，通过计算相似度矩阵，选择合适的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵的参数。

最后，对特征向量进行K-means聚类，得到最终的聚类结果。

自适应谱聚类算法的优点是能够自动选择参数，减少了人工调参的工作量，同时可以根据不同的数据集选择最佳的参数，提高了聚类算法的性能。

然而，该算法的缺点是计算复杂度较高，需要进行降维和计算相似度矩阵等操作。

总的来说，自适应谱聚类算法是一种改进的谱聚类算法，通过自适应选择参数，提高了聚类算法的性能和适用性。

在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的谱聚类算法来解决聚类问题。

聚类算法在数据挖掘中的应用研究一、聚类算法的基本概念聚类算法是一种无监督学习方法，其主要目的是将数据集中的对象按照某种相似度度量进行分组，形成若干个聚类集合。

这些聚类集合内部成员对象的相似度要比集合间的差异度高，同时使得集合内部的差异度尽可能小。

聚类分析通常分为两种：层次聚类和划分聚类。

层次聚类是通过不断将相似的对象合并成为更大的聚类集合，直到所有对象都被归为一类为止。

划分聚类是通过将对象划分为若干个互不重叠的聚类集合，每个对象只属于一个聚类，从而得到不同的类别。

二、聚类算法的应用1.图像分割图像分割是指将一幅图像分成多个区域，每个区域内的像素具有相似的属性。

聚类算法可以通过对图像中像素的相似度进行度量，将其划分为不同的区域，从而实现图像分割。

2.推荐系统推荐系统是一种经常用到的数据挖掘技术。

聚类算法可以对用户或物品进行聚类，得到不同的用户或物品类别，然后可以为每个用户或物品赋予类别标签，从而更好地为其推荐商品或内容。

3.生物信息学聚类算法在生物信息学中也有着广泛的应用。

通过对基因序列中的相似性进行聚类分析，可以研究生物物种的进化关系。

同时，在药物研究中，聚类算法也可以用来对大量化合物进行筛选和分类。

4.市场营销聚类算法可以根据不同的消费者行为特征，将消费者分为不同的群体，并对不同群体的消费特征进行分析。

根据不同群体的消费特征，可以针对性地进行营销策略，从而提高市场竞争力。

三、聚类算法的研究进展近年来，聚类算法在数据挖掘和机器学习领域中的研究一直保持着高速发展的状态。

下面列举几个目前较为热门的聚类方法。

1.K-Means聚类算法K-Means聚类算法是一种经典的划分聚类算法，其主要思想是在数据空间中随机选择K个聚类中心，然后根据距离度量将每个数据对象分配到最近的聚类中心。

接着计算每个聚类的中心点并重新分配所有数据对象，如此反复迭代，直到聚类中心不再改变或达到最大迭代次数为止。

2.DBSCAN聚类算法DBSCAN聚类算法是一种基于密度的聚类算法，其优点在于不需要事先指定聚类个数。

聚类算法的发展趋势与未来展望一、引言聚类算法是数据挖掘和机器学习领域中的重要技术之一，它通过对数据进行分组，将相似的数据点归为一类，以揭示数据之间的内在关系。

随着大数据时代的到来，聚类算法在各个领域的应用越来越广泛，其发展也备受关注。

本文将探讨聚类算法的发展趋势与未来展望。

二、传统聚类算法在传统的聚类算法中，K-means算法是最为经典和常用的方法之一。

该算法通过不断迭代更新聚类中心，将数据点划分到最近的中心点所代表的簇中。

此外，层次聚类、密度聚类等方法也被广泛应用。

然而，传统聚类算法在处理大规模高维数据时存在计算复杂度高、对初始聚类中心敏感等问题。

三、基于深度学习的聚类算法随着深度学习技术的迅猛发展，基于深度学习的聚类算法也逐渐成为研究热点。

深度学习技术的强大特征提取能力，使得基于深度学习的聚类算法在处理高维数据时表现出色。

例如，基于自编码器的聚类算法、谱聚类算法等，都取得了不错的效果。

未来，随着深度学习技术的不断进步，基于深度学习的聚类算法有望在更多领域得到应用。

四、非监督学习的发展聚类算法属于非监督学习范畴，近年来，非监督学习的发展也对聚类算法的发展产生了深远影响。

例如，生成对抗网络（GAN）等新型非监督学习技术，为聚类算法的改进提供了新的思路和方法。

未来，非监督学习技术的不断发展将为聚类算法的研究和应用带来新的动力。

五、跨学科融合的趋势随着多学科交叉融合的需求日益增长，聚类算法也将更多地与其他学科相结合。

例如，在生物信息学、医学影像分析等领域，跨学科融合将为聚类算法的应用带来更多可能性。

未来，跨学科融合将成为聚类算法发展的一大趋势。

六、移动端与边缘计算的兴起随着移动互联网的普及和边缘计算技术的发展，移动端和边缘设备上的聚类算法需求也日益增长。

相比传统的数据中心，移动端和边缘设备上的聚类算法需要考虑计算资源有限、能耗低等特点。

因此，未来的聚类算法发展将更加注重移动端和边缘计算领域的应用场景。

基于谱分析的密度峰值快速聚类算法密度峰值聚类算法是一种基于密度的聚类算法，它的核心思想是基于数据点的密度，找到数据中的局部密度峰值，并通过将密度峰值之间的最大距离作为簇的半径，将数据点划分到不同的簇中。

然而，当数据量较大时，密度峰值聚类算法的计算复杂度会很高，导致算法效率低下。

因此，为了提高算法效率，本文提出了一种基于谱分析的密度峰值快速聚类算法（SDPFC）。

谱分析是一种流行的数据分析方法，它可以将数据分解为一系列正交基向量，从而为数据分类、聚类等任务提供基础。

SDPFC算法使用谱分析的思想，利用数据点之间的相似性来加速密度峰值聚类的计算，并将数据点映射到低维空间中进行聚类分析。

具体来说，SDPFC算法的流程如下：步骤一：计算相似矩阵将数据中的每个数据点看作图中的一个节点，计算它们之间的相似性来构建相似矩阵。

相似矩阵采用高斯核函数计算，即：$$ W_{ij}=exp(-\frac{\left \| x_{i}-x_{j} \right \|^{2}}{2\sigma ^{2}}) $$其中，$W_{ij}$表示数据点$i$和$j$之间的相似性，$x_i$和$x_j$是数据点的向量表示，$\sigma$是高斯核函数的带宽参数。

根据相似矩阵构建拉普拉斯矩阵，可以使用度矩阵和邻接矩阵计算拉普拉斯矩阵$L=D-W$，其中$D$为度矩阵，$W$为相似矩阵。

步骤三：计算特征向量对拉普拉斯矩阵进行特征分解，得到特征向量$V=[v_1,v_2,...,v_n]$和对应的特征值$\lambda=[\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n]$，其中$v_i$是第$i$个特征向量，$\lambda_i$是第$i$个特征值。

步骤四：选择主成分根据特征值大小，选择前$k$个主成分，将数据投影到低维空间中。

在SDPFC算法中，我们可以根据数据的分布情况和需要的聚类数量，选择不同的主成分数量。

步骤五：计算密度峰值将数据点在低维空间中表示，并计算每个数据点的局部密度和相对于其他数据点的局部密度峰值。