Python非监督学习:聚类、降维的算法与技巧

发布时间: 2024-06-20 20:37:58 阅读量: 84 订阅数: 34
![Python非监督学习:聚类、降维的算法与技巧](https://d2908q01vomqb2.cloudfront.net/f1f836cb4ea6efb2a0b1b99f41ad8b103eff4b59/2023/04/13/ML-13908-label.jpg) # 1. Python非监督学习概述** 非监督学习是一种机器学习技术,它从未标记的数据中发现隐藏的模式和结构。与监督学习不同,非监督学习不需要标记的数据集,而是通过算法自动识别数据中的模式。 非监督学习的常见应用包括: * 聚类:将数据点分组到相似的组中。 * 降维:将高维数据投影到较低维度的空间中,以进行可视化和分析。 * 异常值检测:识别数据集中与其他数据点明显不同的点。 # 2. 聚类算法与应用 聚类算法是无监督学习中的基本技术,用于将数据点分组到称为簇的相似组中。聚类算法广泛应用于数据挖掘、客户细分、图像处理和文本分析等领域。本章将介绍三种常用的聚类算法:K-Means聚类、层次聚类和DBSCAN聚类。 ### 2.1 K-Means聚类 #### 2.1.1 K-Means算法原理 K-Means聚类是一种基于质心的聚类算法。它通过迭代地将数据点分配到K个簇中来工作,其中K是预先指定的簇数。算法的步骤如下: 1. **随机初始化K个质心:**从数据集中随机选择K个数据点作为初始质心。 2. **分配数据点到质心:**计算每个数据点到每个质心的距离,并将数据点分配到距离最近的质心所在的簇中。 3. **更新质心:**重新计算每个簇中所有数据点的平均值,并将其作为新的质心。 4. **重复步骤2和3:**重复步骤2和3,直到质心不再发生变化或达到最大迭代次数。 #### 2.1.2 K-Means算法的应用场景 K-Means聚类适用于数据点分布紧凑、簇之间界限清晰的数据集。它常用于以下场景: - **客户细分:**将客户根据他们的购买行为、人口统计信息或其他特征进行分组。 - **图像分割:**将图像中的像素聚类到不同的区域或对象中。 - **文本聚类:**将文本文档聚类到具有相似主题或风格的组中。 ### 2.2 层次聚类 #### 2.2.1 层次聚类算法原理 层次聚类是一种自底向上的聚类算法。它通过逐步合并数据点或簇来构建一个层次结构,称为树状图。算法的步骤如下: 1. **初始化:**将每个数据点视为一个单独的簇。 2. **计算相似性:**计算每个数据点或簇之间的相似性或距离。 3. **合并相似的数据点或簇:**将相似性最高的两个数据点或簇合并到一个新的簇中。 4. **更新相似性:**重新计算新簇与其他数据点或簇之间的相似性。 5. **重复步骤2-4:**重复步骤2-4,直到所有数据点或簇都合并到一个簇中。 #### 2.2.2 层次聚类算法的应用场景 层次聚类适用于数据点分布不规则或簇之间界限不清晰的数据集。它常用于以下场景: - **探索性数据分析:**识别数据集中潜在的模式和结构。 - **生物信息学:**将基因或蛋白质序列聚类到具有相似功能或进化关系的组中。 - **社会网络分析:**将用户或群组聚类到具有相似兴趣或行为的社区中。 ### 2.3 DBSCAN聚类 #### 2.3.1 DBSCAN算法原理 DBSCAN(基于密度的空间聚类应用噪声)是一种基于密度的聚类算法。它通过识别数据集中具有高密度的区域来形成簇。算法的步骤如下: 1. **定义参数:**指定两个参数:ε(邻域半径)和minPts(最小点数)。 2. **查找核心点:**对于每个数据点,计算其ε邻域内的数据点数。如果点数大于或等于minPts,则该数据点为核心点。 3. **扩展簇:**从每个核心点开始,递归地将核心点ε邻域内的所有数据点添加到簇中。 4. **处理边界点:**如果一个数据点不是核心点,但它位于一个核心点的ε邻域内,则该数据点为边界点。边界点被分配到最近的核心点所在的簇中。 5. **识别噪声点:**如果一个数据点既不是核心点也不是边界点,则该数据点为噪声点。 #### 2.3.2 DBSCAN算法的应用场景 DBSCAN聚类适用于数据点分布不规则、簇形状复杂或包含噪声的数据集。它常用于以下场景: - **图像处理:**将图像中的像素聚类到不同的对象或区域中。 - **地理空间分析:**将地理数据点聚类到具有相似特征或空间关系的组中。 - **异常值检测:**识别数据集中与其他数据点明显不同的数据点。 # 3. 降维算法与应用** 降维算法是将高维数据映射到低维空间的技术,其目的是在降低数据维度的同时保留其重要特征。在非监督学习中,降维算法用于数据可视化、特征选择和数据压缩。 **3.1 主成分分析(PCA)** **3.1.1 PCA算法原理** PCA是一种线性降维算法,它通过找到数据中方差最大的方向来将数据投影到低维空间。具体来说,PCA计算协方差矩阵的特征值和特征向量,并选择具有最大特征值的特征向量作为新的基向量。 ```python import numpy as np from sklearn.decomposition import PCA # 创建数据 data = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8 ```
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李_涛

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拥有多年在大型科技公司的工作经验,曾在多个大厂担任技术主管和架构师一职。擅长设计和开发高效稳定的后端系统,熟练掌握多种后端开发语言和框架,包括Java、Python、Spring、Django等。精通关系型数据库和NoSQL数据库的设计和优化,能够有效地处理海量数据和复杂查询。
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