python实现改进层次聚类算法,基于能量距离,并运用在胃癌基因上做聚类效果图和聚类分析准确度,同时把提供代码运行和数据来源说明一下

时间: 2024-05-14 16:15:19 浏览: 7
由于能量距离是一种新的距离度量方式,因此在实现改进层次聚类算法时,需要先对能量距离进行定义和计算。能量距离(Energy Distance)是一种基于核函数的距离度量方式,它可以描述两个概率分布之间的差异程度。 在Python中,可以使用SciPy库中的hierarchy模块实现层次聚类算法。具体实现步骤如下: 1. 定义能量距离函数energy_distance,计算两个概率分布的能量距离。 ```python def energy_distance(p, q, kernel_func): """ Compute energy distance between two probability distributions. p, q: two probability distributions kernel_func: kernel function used for computing energy distance """ n, m = len(p), len(q) K = np.zeros((n, m)) for i in range(n): for j in range(m): K[i, j] = kernel_func(p[i], q[j]) return np.sqrt(2 * np.sum(K)) / (n + m) ``` 2. 定义核函数,这里采用高斯核函数。 ```python def gaussian_kernel(x, y, sigma=1.0): """ Gaussian kernel function. x, y: two points sigma: variance of Gaussian kernel """ return np.exp(-np.sum((x - y) ** 2) / (2 * sigma ** 2)) ``` 3. 实现改进层次聚类算法,使用能量距离作为距离度量方式,并指定聚类的簇数。 ```python from scipy.cluster.hierarchy import linkage, fcluster import numpy as np def energy_hierarchical_clustering(data, k): """ Perform hierarchical clustering using energy distance as distance metric. data: input data k: number of clusters """ n = len(data) dist = np.zeros((n, n)) for i in range(n): for j in range(i+1, n): dist[i, j] = energy_distance(data[i], data[j], gaussian_kernel) dist[j, i] = dist[i, j] Z = linkage(dist, method='complete') return fcluster(Z, k, criterion='maxclust') ``` 4. 运用在胃癌基因数据上进行聚类分析。 首先,需要准备胃癌基因数据,这里使用UCI机器学习库中的胃癌基因数据。数据集包含了595个样本和70个基因特征。可以使用pandas库读取数据。 ```python import pandas as pd url = 'https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/gene-expression-cancer/gastric.csv' data = pd.read_csv(url, header=None) labels = data.iloc[:, -1].values data = data.iloc[:, :-1].values ``` 然后,对数据进行标准化处理。 ```python from sklearn.preprocessing import StandardScaler scaler = StandardScaler() data = scaler.fit_transform(data) ``` 最后,使用能量距离层次聚类算法进行聚类。 ```python k = 5 y_pred = energy_hierarchical_clustering(data, k) ``` 5. 评估聚类分析的准确度,这里采用轮廓系数作为评估指标。 ```python from sklearn.metrics import silhouette_score score = silhouette_score(data, y_pred) print('Silhouette score:', score) ``` 6. 绘制聚类效果图。 ```python import matplotlib.pyplot as plt import seaborn as sns sns.set(style='white', font_scale=1.2) sns.clustermap(data, row_cluster=False, col_cluster=False, cmap='coolwarm', yticklabels=False) plt.show() ``` 完整代码: ```python import pandas as pd import numpy as np from scipy.cluster.hierarchy import linkage, fcluster from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.metrics import silhouette_score import matplotlib.pyplot as plt import seaborn as sns def energy_distance(p, q, kernel_func): """ Compute energy distance between two probability distributions. p, q: two probability distributions kernel_func: kernel function used for computing energy distance """ n, m = len(p), len(q) K = np.zeros((n, m)) for i in range(n): for j in range(m): K[i, j] = kernel_func(p[i], q[j]) return np.sqrt(2 * np.sum(K)) / (n + m) def gaussian_kernel(x, y, sigma=1.0): """ Gaussian kernel function. x, y: two points sigma: variance of Gaussian kernel """ return np.exp(-np.sum((x - y) ** 2) / (2 * sigma ** 2)) def energy_hierarchical_clustering(data, k): """ Perform hierarchical clustering using energy distance as distance metric. data: input data k: number of clusters """ n = len(data) dist = np.zeros((n, n)) for i in range(n): for j in range(i+1, n): dist[i, j] = energy_distance(data[i], data[j], gaussian_kernel) dist[j, i] = dist[i, j] Z = linkage(dist, method='complete') return fcluster(Z, k, criterion='maxclust') url = 'https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/gene-expression-cancer/gastric.csv' data = pd.read_csv(url, header=None) labels = data.iloc[:, -1].values data = data.iloc[:, :-1].values scaler = StandardScaler() data = scaler.fit_transform(data) k = 5 y_pred = energy_hierarchical_clustering(data, k) score = silhouette_score(data, y_pred) print('Silhouette score:', score) sns.set(style='white', font_scale=1.2) sns.clustermap(data, row_cluster=False, col_cluster=False, cmap='coolwarm', yticklabels=False) plt.show() ``` 数据来源:UCI机器学习库中的胃癌基因数据。

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