K-միջիններով կլաստերինգ

k –միջիններով կլաստերինգը վեկտորի քանակականացման մեթոդ է, որը սկզբնապես ծագել է ազդանշանային մշակումից։ Այն օգտագործվում է տվյալների մայնինգի մեջ կլաստերային վերլուծության համար։ K -միջինների խմբավորման նպատակն է բաժանել n դիտարկումները k կլաստերների, որի յուրաքանչյուր դիտարկումը պատկանում է ամենամոտ միջինով կլաստերի՝ ծառայելով որպես կլաստերի նախատիպ։ k -միջինները նվազագույնի է հասցնում ներկլաստերային վարիացիան/տարբերությունները (քառակուսային էվկլիդյան հեռավորությունները), բայց ոչ կանոնավոր էվկլիդյան հեռավորությունները։ էվկլիդյան ավելի լավ լուծումները կարելի է գտնել k-մեդիանների և k-մեդոիդների օգտագործմամբ։

Խնդիրը հաշվարկային առումով դժվար է ( NP-hard ); սակայն արդյունավետ հուրիստական ալգորիթմները արագորեն գտնում են լոկալ օպտիմումը։ Սրանք սովորաբար նման են ակնկալիքի մաքսիմալացման ալգորիթմին` Գաուսի բաշխումների խառնուրդների համար` իտերատիվ հղկումների միջոցով, որն օգտագործվում է ինչպես k- միջիններով, այնպես էլ Գաուսյան խառնուրդների մոդելավորմամբ։ Երկուսն էլ տվյալների մոդելավորման համար օգտագործում են կլաստերային կենտրոնները։ Այնուամենայնիվ, k- միջիններով կլաստավորումը հակված է գտնել համադրելի տարածական չափի կլաստերներ, մինչդեռ ակնկալիքների մաքսիմալացման մեխանիզմը կլաստերներին հնարավորություն է տալիս ունենալ տարբեր չափեր։

Ալգորիթմը կապ ունի k-ամենամոտ հարևանի դասակարգչի հետ, որը մեքենայական ուսուցման մեջ դասակարգման տեխնիկան է, որը հաճախ շփոթում են k -միջինների հետ անվան պատճառով։ Կիրառելով 1-ամենամոտ հարևանի դասակարգիչը կլաստերների կենտրոններին, որոնք ստացվել են k-միջինների կողմից, նոր տվյալները դասակարգում է գոյություն ունեցող կլաստերների մեջ։ Սա կոչվում է ամենամոտ ցենտրոիդ դասակարգիչ կամ Rocchio ալգորիթմ։

 Նկարագրություն 
Տրված կետերի համար՝ ( x 1, x 2, ..., x n ), որտեղ յուրաքանչյուր կետ d- չափանի իրական վեկտոր է, k- միջիններով կլաստերինգը նպատակ ունի n կետերը բաժանել k- ի (≤   n ),  S   = {S1, S2, ..., Sk} այնպես, որ նվազագույնի հասցվի ներկլաստերային քառակուսիների գումարը (WCSS) (այսինքն՝ վարիացիան )։ Ֆորմալ առումով, նպատակն է գտնել.  որտեղ μ i- ն S i- ում  կետերի միջինն է։ Սա համարժեք է նույն կլաստերի ներսում կետերի զույգային քառակուսիների շեղումները նվազագույնի հասցնելուն.  Համարժեքությունը կարող է բխել ինքնությունից՝  : Քանի որ ընդհանուր վարիացիան հաստատուն է, դա համարժեք է տարբեր կլաստերների միջև շեղումների քառակուսիների գումարի մաքսիմալացմանը (BCSS: between-cluster sum of squares) :

Պատմություն 
« K- means» տերմինը առաջին անգամ օգտագործել է Ջեյմս ՄքՔուինի կողմից 1967 թվականին, չնայած գաղափարը ավելի վաղ օգտագործել էր Հյուգո Շտայնհաուսը 1956-ին : Ստանդարտ ալգորիթմն առաջին անգամ առաջարկել է Ստյուարտ Լլոյդը Bell Labs- ի կողմից 1957-ին զարկերակային կոդերի մոդուլյացիայի տեխնիկայի համար, չնայած որ այն որպես հոդված չի հրապարակվել մինչև 1982 թվականը։ 1965 թ.-ին Էդվարդ Վ. Ֆորգը հրատարակեց ըստ էության նույն մեթոդը, այդ պատճառով էլ այն երբեմն կոչվում է Լլոյդ-Ֆորգի ։

Ալգորիթմներ

Ստանդարտ ալգորիթմ (նայիվ K- միջիններ) 

Ամենատարածված ալգորիթմը օգտագործում է իտերատիվ կամ անընդհատ բարելավման տեխնիկան։ Իր տարածվածության պատճառով այն հաճախ կոչվում է « k- ի միջինների ալգորիթմ»; այն նաև կոչվում է որպես Լլոյդի ալգորիթմ, մասնավորապես ՝ համակարգչային գիտությունների ոլորտում։ Այն երբեմն կոչվում է նաև «նայիվ k- միջիններ », քանի որ կան շատ ավելի արագ աշխատող այլընտրանքներ ։

Տրված k- միջինների համար` m 1 (1), ..., m k (1), ստորև ներկայացված ալգորիթմն ընթանում է երկու հաջորդական և կրկնվող քայլերով.

 Հանձնարարության քայլ. Յուրաքանչյուր կետ նշանակել այն կլաստերին, որի միջինը ունի ամենափոքր քառակուսային էվկլիդյան հեռավորությունը, որը համարվում է ՙՙամենամոտ՚՚ միջինը : Մաթեմատիկորեն, սա նշանակում է, որ կետերը բաժանում են ըստ Վորոնոյի դիագրամի ստեղծած միջինների։ 
  
 որտեղ յուրաքանչյուրը -ին նշանակվում է միայն մեկ -ի, նույնիսկ եթե այն կարող էր նշանակվել երկուսի կամ ավելիի։ 
 Թարմացման քայլ. Հաշվարկեք դիտարկումների նոր միջինները ( ցենտրոիդները ) նոր կլաստերում։ 
 

Ալգորիթմը վերջանում է, երբ հանձնարարության արդյունքներն այլևս չեն փոխվում։ Ալգորիթմը չի երաշխավորում գտնել օպտիմալը ։  «Հանձնարարություն» քայլը կոչվում է «սպասման քայլ», մինչդեռ «թարմացման քայլը» առավելագույնի հասցնելու/մաքսիմալացման քայլ է՝ ալգորիթմը դարձնելով ընդհանրացված սպասումների մաքսիմալացման ալգորիթմի տարբերակ ։

Քննարկում 

K- միջինների երեք հիմնական առանձնահատկությունները, որոնք այն դարձնում են արդյունավետ, հաճախ դիտվում են որպես դրա ամենամեծ թերությունները.

 Էվկլիդյան հեռավորությունը օգտագործվում է որպես չափման մեթոդ, իսկ վարիացիան՝ որպես կլաստերի ցրվածության չափման միջոց։ 
 Կլաստերների քանակը k մուտքագրվող պարամետր է. K- ի ոչ պատշաճ ընտրությունը կարող է բերել վատ արդյունքների։ Այդ իսկ պատճառով, k- միջինները օգտագործելիս անհրաժեշտ է ախտորոշիչ ստուգումներ անցկացնել տվյալների հավաքածուի քանակի որոշման համար։ 
 Լոկալ մինիմումը գտնելը կարող է բերել սխալ արդյունքների։

K –միջինների կարևոր սահմանափակումը նրա կլաստերի մոդելն է։ Հայեցակարգը հիմնված է գնդաձև կլաստերի վրա, որոնք հնարավոր է առանձնացնել այնպես, որ միջինը համընկնում է կլաստերի կենտրոնի նկատմամբ։ Ակնկալվում է, որ կլաստերների չափերը նման են, այնպես որ մոտակա կլաստերային կենտրոնին նշանակումը ճիշտ հանձնարարություն է։ Օրինակ` օգտագործելով k- միջիններ իրիսի հայտնի ծաղիկների տվյալների վրա, երբ ,  հաճախ չի հաջողվում առանձնացնել Iris- ի երեք տեսակները, որոնք պարունակում են տվյալների շարքում։  դեպքում հայտնաբերվելու են երկու տեսանելի կլաստեր (մեկը, որը պարունակում է երկու տեսակ), մինչդեռ  երկու կլաստերից մեկը բաժանվելու է երկու հավասար մասերի։ Իրականում,  այս տվյալների համար առավել նպատակահարմար է, չնայած տվյալների պարունակում են 3 դաս։ Ցանկացած այլ կլաստերավորման ալգորիթմի հետ k-միջինների արդյունքը ենթադրություններ է կատարում, որ տվյալները բավարարում են որոշակի չափանիշների։ Այն լավ է աշխատում որոշ տվյալների վրա, իսկ մյուսների վրա՝ ոչ։

Կիրառությունը 
k –միջիններով կլաստերավորումը բավականին հեշտ է կիրառել նույնիսկ մեծ տվյալների համար, մասնավորապես, երբ օգտագործվում է հյուրիստիկա (heuristics), ինչպիսին է Լլոյդի ալգորիթմը։ Այն հաջողությամբ օգտագործվել է շուկայի սեգմենտավորման, համակարգչային տեսողության և աստղագիտության մեջ, ինչպես նաև շատ այլ ոլորտներում։ Այն հաճախ օգտագործվում է որպես այլ ալգորիթմների նախնական մշակման քայլ, օրինակ`սկզբնական բաժանում գտնելու համար։

Հանրամատչելի ծրագրեր 
Ստորև նշված ծրագրերն ունեն բաց հասանելիություն.

 Accord.NET. պարունակում է C# կիրառություններ k -միջինների, k -միջիններ++ և k -մոդերի համար։ 
 ALGLIB- ը պարունակում է զուգահեռաբար C++ և C# ներդրումներ k- միջինների և k- միջիններ++ համար։ 
 AOSP- ն պարունակում է Java-ի ներդրումներ k-միջինների համար։ 
 CrimeStat- ը իրականացնում է երկու տարածական k- միջինների ալգորիթմ, որոնցից մեկը թույլ է տալիս օգտագործողին սահմանել սկզբնական/մեկնարկային տեղերը։ 
 ELKI- ն պարունակում է k- միջիններ (Lloyd- ի և MacQueen- ի կրկնողությամբ, ինչպես նաև k- միջիններ++ և այլն) և տարբեր ավելի առաջադեմ կլաստերի ալգորիթմներ։ 
 Julia- ն պարունակում է k- միջինների իրականացում JuliaStats Clustering փաթեթում։ 
 KNIME պարունակում է նոդեր k -միջինների և k -մեդոիդների համար։ 
 Mahout- ը պարունակում է MapReduce- ի վրա հիմնված k- միջիններ ։ 
 mlpack- ը պարունակում է k-միջինների C++ ներդրումներ։ 
 Octave- ը պարունակում է k- միջիններ ։ 
 OpenCV- ն պարունակում է k- միջինների կիրառություններ։ 
 Orange-ը պարունակում է k- միջիններով կլաստերինգի բաղադրիչներ՝ k-ի և կլաստերների ավտոմատ ընտրությամբ։ 
 PSPP պարունակում k -միջիններ, THE QUICK CLUSTER հրամանը կատարում է տվյալների k -միջիններով կլաստերինգ։ 
 R- ը պարունակում է երեք k-միջիններով տատանումներ։ 
 SciPy և scikit learn պարունակում են մի քանի K -միջինների ներդումները։ 
 Spark MLlib- ն աշխատացնում է բաշխված k- միջոիների ալգորիթմը։ 
 Torch-ը պարունակում է unsup փաթեթ, որը ապահովում է K -միջիններով կլաստերինգի իրականացումը։ 
 Weka- ն պարունակում է k- միջիններ և x- միջիններ։

Ծանոթագրություններ 

Pages with unreviewed translations
Կլաստերիկ վերլուծություն