K-means聚类分析学生成绩 Python实现
程序员文章站
2024-02-27 20:40:39
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声明：本人小白，文章作为自己的学习参考资料，供大家学习交流
本文refer to
作者：csuldw
链接：https://github.com/csuldw/MachineLearning/tree/master/Kmeans
来源：Github
感谢此文章原创者
如有侵犯您的知识产权和版权问题，请通知本人，本人会即时做出处理并删除文章
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理论部分
K-means原理
（这部分感觉 csuldw 大神写的很好，所以直接拿来用了，想了解详情请访问上面 Github 的链接）
创建 k 个点作为 k 个簇的起始质心（经常随机选择）
- 分别计算剩下的元素到k个簇中心的相异度（距离），将这些元素分别划归到相异度最低的簇。
- 根据聚类结果，重新计算k个簇各自的中心，计算方法是取簇中所有元素各自维度的算术平均值。
- 将 D 中全部元素按照新的中心重新聚类。
- 重复第4步，直到聚类结果不再变化。
- 最后，输出聚类结果。
实现部分
实验环境
- 操作系统：win10 64
- 编程语言：Python 3.7.3
K-means聚类实现
这部分也是 csuldw 大神的实现
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
class KMeansClassifier():
"this is a k-means classifier"
def __init__(self, k=3, initCent='random', max_iter=500):
self._k = k
self._initCent = initCent
self._max_iter = max_iter
self._clusterAssment = None
self._labels = None
self._sse = None
def _calEDist(self, arrA, arrB):
"""
功能：欧拉距离距离计算
输入：两个一维数组
"""
return np.math.sqrt(sum(np.power(arrA - arrB, 2)))
def _calMDist(self, arrA, arrB):
"""
功能：曼哈顿距离距离计算
输入：两个一维数组
"""
return sum(np.abs(arrA - arrB))
def _randCent(self, data_X, k):
"""
功能：随机选取k个质心
输出：centroids # 返回一个m*n的质心矩阵
"""
n = data_X.shape[1] # 获取特征的维数
centroids = np.empty((k, n)) # 使用numpy生成一个k*n的矩阵，用于存储质心
for j in range(n):
minJ = min(data_X[:, j])
rangeJ = float(max(data_X[:, j] - minJ))
# 使用flatten拉平嵌套列表(nested list)
centroids[:, j] = (minJ + rangeJ * np.random.rand(k, 1)).flatten()
return centroids
def fit(self, data_X):
"""
输入：一个m*n维的矩阵
"""
if not isinstance(data_X, np.ndarray) or \
isinstance(data_X, np.matrixlib.defmatrix.matrix):
try:
data_X = np.asarray(data_X)
except:
raise TypeError("numpy.ndarray resuired for data_X")
m = data_X.shape[0] # 获取样本的个数
# 一个m*2的二维矩阵，矩阵第一列存储样本点所属的族的索引值，
# 第二列存储该点与所属族的质心的平方误差
self._clusterAssment = np.zeros((m, 2))
if self._initCent == 'random':
self._centroids = self._randCent(data_X, self._k)
clusterChanged = True
for _ in range(self._max_iter): # 使用"_"主要是因为后面没有用到这个值
clusterChanged = False
for i in range(m): # 将每个样本点分配到离它最近的质心所属的族
minDist = np.inf # 首先将minDist置为一个无穷大的数
minIndex = -1 # 将最近质心的下标置为-1
for j in range(self._k): # 次迭代用于寻找最近的质心
arrA = self._centroids[j, :]
arrB = data_X[i, :]
distJI = self._calEDist(arrA, arrB) # 计算误差值
if distJI < minDist:
minDist = distJI
minIndex = j
if self._clusterAssment[i,
0] != minIndex or self._clusterAssment[
i, 1] > minDist**2:
clusterChanged = True
self._clusterAssment[i, :] = minIndex, minDist**2
if not clusterChanged: # 若所有样本点所属的族都不改变,则已收敛,结束迭代
break
for i in range(self._k): # 更新质心，将每个族中的点的均值作为质心
index_all = self._clusterAssment[:, 0] # 取出样本所属簇的索引值
value = np.nonzero(index_all == i) # 取出所有属于第i个簇的索引值
ptsInClust = data_X[value[0]] # 取出属于第i个簇的所有样本点
self._centroids[i, :] = np.mean(ptsInClust, axis=0) # 计算均值
self._labels = self._clusterAssment[:, 0]
self._sse = sum(self._clusterAssment[:, 1])
def predict(self, X): # 根据聚类结果，预测新输入数据所属的族
# 类型检查
if not isinstance(X, np.ndarray):
try:
X = np.asarray(X)
except:
raise TypeError("numpy.ndarray required for X")
m = X.shape[0] # m代表样本数量
preds = np.empty((m, ))
for i in range(m): # 将每个样本点分配到离它最近的质心所属的族
minDist = np.inf
for j in range(self._k):
distJI = self._calEDist(self._centroids[j, :], X[i, :])
if distJI < minDist:
minDist = distJI
preds[i] = j
return preds
测试部分
导入 Python 库
import pandas as pd
import numpy as np
from kmeans import KMeansClassifier
import matplotlib.pyplot as plt
import csv
提取数据
读取.csv 文件（学生成绩文件）
filename = './data/2017EngGrade.csv'
with open(filename) as f:
reader = csv.reader(f)
创建两个列表，分别用于存放.csv 文件中的数学成绩和英语成绩
gradeMaths = []
gradeEnglishs = []
遍历文件中数据，将两列数据分别存放至两个列表
for row in reader:
gradeMath = int(row[2])
gradeMaths.append(gradeMath)
gradeEnglish = int(row[1])
gradeEnglishs.append(gradeEnglish)
合并两列表
z = list(zip(gradeMaths, gradeEnglishs))
将合并后的两列表转为矩阵
matz = np.array(z)
提取数据部分完整代码如下：
#读取.csv 文件
filename = './data/2017EngGrade.csv'
with open(filename) as f:
reader = csv.reader(f)
#创建两个列表，分别用于存放.csv 文件中的数学成绩和英语成绩
gradeMaths = []
gradeEnglishs = []
#遍历文件中数据，将两列数据分别存放至两个列表
for row in reader:
gradeMath = int(row[2])
gradeMaths.append(gradeMath)
gradeEnglish = int(row[1])
gradeEnglishs.append(gradeEnglish)
#合并两列表
z = list(zip(gradeMaths, gradeEnglishs))
#将合并后的两列表转为矩阵
matz = np.array(z)
使用 K-means 进行测试
if __name__=="__main__":
data_X = matz
k = 3
clf = KMeansClassifier(k)
clf.fit(data_X)
cents = clf._centroids
labels = clf._labels
sse = clf._sse
colors = ['b','g','r','k','c','m','y','#e24fff','#524C90','#845868']
for i in range(k):
index = np.nonzero(labels==i)[0]
x0 = data_X[index, 0]
x1 = data_X[index, 1]
y_i = i
for j in range(len(x0)):
plt.text(x0[j], x1[j], str(y_i), color=colors[i], \
fontdict={'weight': 'bold', 'size': 6})
plt.scatter(cents[i,0],cents[i,1],marker='x',color=colors[i],\
linewidths=7)
plt.title("SSE={:.2f}".format(sse))
plt.axis([40,100,40,100])
outname = "./result/k_clusters" + str(k) + ".png"
plt.savefig(outname)
plt.show()
结果展示
k = 3 时，K-means 算法结果如图：
k = 4 时，K-means 算法结果如图：
k = 5 时，K-means 算法结果如图：