Czy można określić własną funkcję odległości za pomocą scikit-Learn K-Means Clustering?

Czy można określić własną funkcję odległości za pomocą scikit-Learn K-Means Clustering?

Oto mały kmeans, który wykorzystuje dowolną z 20 nieparzystych odległości w scipy.spatial.distance lub funkcji użytkownika.
Komentarze byłyby mile widziane (jak dotąd miał tylko jednego użytkownika, za mało); w szczególności, jakie są Twoje dane N, dim, k, metric?

#!/usr/bin/env python
# kmeans.py using any of the 20-odd metrics in scipy.spatial.distance
# kmeanssample 2 pass, first sample sqrt(N)

from __future__ import division
import random
import numpy as np
from scipy.spatial.distance import cdist  # $scipy/spatial/distance.py
    # http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/spatial.html
from scipy.sparse import issparse  # $scipy/sparse/csr.py

__date__ = "2011-11-17 Nov denis"
    # X sparse, any cdist metric: real app ?
    # centres get dense rapidly, metrics in high dim hit distance whiteout
    # vs unsupervised / semi-supervised svm

#...............................................................................
def kmeans( X, centres, delta=.001, maxiter=10, metric="euclidean", p=2, verbose=1 ):
    """ centres, Xtocentre, distances = kmeans( X, initial centres ... )
    in:
        X N x dim  may be sparse
        centres k x dim: initial centres, e.g. random.sample( X, k )
        delta: relative error, iterate until the average distance to centres
            is within delta of the previous average distance
        maxiter
        metric: any of the 20-odd in scipy.spatial.distance
            "chebyshev" = max, "cityblock" = L1, "minkowski" with p=
            or a function( Xvec, centrevec ), e.g. Lqmetric below
        p: for minkowski metric -- local mod cdist for 0 < p < 1 too
        verbose: 0 silent, 2 prints running distances
    out:
        centres, k x dim
        Xtocentre: each X -> its nearest centre, ints N -> k
        distances, N
    see also: kmeanssample below, class Kmeans below.
    """
    if not issparse(X):
        X = np.asanyarray(X)  # ?
    centres = centres.todense() if issparse(centres) \
        else centres.copy()
    N, dim = X.shape
    k, cdim = centres.shape
    if dim != cdim:
        raise ValueError( "kmeans: X %s and centres %s must have the same number of columns" % (
            X.shape, centres.shape ))
    if verbose:
        print "kmeans: X %s  centres %s  delta=%.2g  maxiter=%d  metric=%s" % (
            X.shape, centres.shape, delta, maxiter, metric)
    allx = np.arange(N)
    prevdist = 0
    for jiter in range( 1, maxiter+1 ):
        D = cdist_sparse( X, centres, metric=metric, p=p )  # |X| x |centres|
        xtoc = D.argmin(axis=1)  # X -> nearest centre
        distances = D[allx,xtoc]
        avdist = distances.mean()  # median ?
        if verbose >= 2:
            print "kmeans: av |X - nearest centre| = %.4g" % avdist
        if (1 - delta) * prevdist <= avdist <= prevdist \
        or jiter == maxiter:
            break
        prevdist = avdist
        for jc in range(k):  # (1 pass in C)
            c = np.where( xtoc == jc )[0]
            if len(c) > 0:
                centres[jc] = X[c].mean( axis=0 )
    if verbose:
        print "kmeans: %d iterations  cluster sizes:" % jiter, np.bincount(xtoc)
    if verbose >= 2:
        r50 = np.zeros(k)
        r90 = np.zeros(k)
        for j in range(k):
            dist = distances[ xtoc == j ]
            if len(dist) > 0:
                r50[j], r90[j] = np.percentile( dist, (50, 90) )
        print "kmeans: cluster 50 % radius", r50.astype(int)
        print "kmeans: cluster 90 % radius", r90.astype(int)
            # scale L1 / dim, L2 / sqrt(dim) ?
    return centres, xtoc, distances

#...............................................................................
def kmeanssample( X, k, nsample=0, **kwargs ):
    """ 2-pass kmeans, fast for large N:
        1) kmeans a random sample of nsample ~ sqrt(N) from X
        2) full kmeans, starting from those centres
    """
        # merge w kmeans ? mttiw
        # v large N: sample N^1/2, N^1/2 of that
        # seed like sklearn ?
    N, dim = X.shape
    if nsample == 0:
        nsample = max( 2*np.sqrt(N), 10*k )
    Xsample = randomsample( X, int(nsample) )
    pass1centres = randomsample( X, int(k) )
    samplecentres = kmeans( Xsample, pass1centres, **kwargs )[0]
    return kmeans( X, samplecentres, **kwargs )

def cdist_sparse( X, Y, **kwargs ):
    """ -> |X| x |Y| cdist array, any cdist metric
        X or Y may be sparse -- best csr
    """
        # todense row at a time, v slow if both v sparse
    sxy = 2*issparse(X) + issparse(Y)
    if sxy == 0:
        return cdist( X, Y, **kwargs )
    d = np.empty( (X.shape[0], Y.shape[0]), np.float64 )
    if sxy == 2:
        for j, x in enumerate(X):
            d[j] = cdist( x.todense(), Y, **kwargs ) [0]
    elif sxy == 1:
        for k, y in enumerate(Y):
            d[:,k] = cdist( X, y.todense(), **kwargs ) [0]
    else:
        for j, x in enumerate(X):
            for k, y in enumerate(Y):
                d[j,k] = cdist( x.todense(), y.todense(), **kwargs ) [0]
    return d

def randomsample( X, n ):
    """ random.sample of the rows of X
        X may be sparse -- best csr
    """
    sampleix = random.sample( xrange( X.shape[0] ), int(n) )
    return X[sampleix]

def nearestcentres( X, centres, metric="euclidean", p=2 ):
    """ each X -> nearest centre, any metric
            euclidean2 (~ withinss) is more sensitive to outliers,
            cityblock (manhattan, L1) less sensitive
    """
    D = cdist( X, centres, metric=metric, p=p )  # |X| x |centres|
    return D.argmin(axis=1)

def Lqmetric( x, y=None, q=.5 ):
    # yes a metric, may increase weight of near matches; see ...
    return (np.abs(x - y) ** q) .mean() if y is not None \
        else (np.abs(x) ** q) .mean()

#...............................................................................
class Kmeans:
    """ km = Kmeans( X, k= or centres=, ... )
        in: either initial centres= for kmeans
            or k= [nsample=] for kmeanssample
        out: km.centres, km.Xtocentre, km.distances
        iterator:
            for jcentre, J in km:
                clustercentre = centres[jcentre]
                J indexes e.g. X[J], classes[J]
    """
    def __init__( self, X, k=0, centres=None, nsample=0, **kwargs ):
        self.X = X
        if centres is None:
            self.centres, self.Xtocentre, self.distances = kmeanssample(
                X, k=k, nsample=nsample, **kwargs )
        else:
            self.centres, self.Xtocentre, self.distances = kmeans(
                X, centres, **kwargs )

    def __iter__(self):
        for jc in range(len(self.centres)):
            yield jc, (self.Xtocentre == jc)

#...............................................................................
if __name__ == "__main__":
    import random
    import sys
    from time import time

    N = 10000
    dim = 10
    ncluster = 10
    kmsample = 100  # 0: random centres, > 0: kmeanssample
    kmdelta = .001
    kmiter = 10
    metric = "cityblock"  # "chebyshev" = max, "cityblock" L1,  Lqmetric
    seed = 1

    exec( "\n".join( sys.argv[1:] ))  # run this.py N= ...
    np.set_printoptions( 1, threshold=200, edgeitems=5, suppress=True )
    np.random.seed(seed)
    random.seed(seed)

    print "N %d  dim %d  ncluster %d  kmsample %d  metric %s" % (
        N, dim, ncluster, kmsample, metric)
    X = np.random.exponential( size=(N,dim) )
        # cf scikits-learn datasets/
    t0 = time()
    if kmsample > 0:
        centres, xtoc, dist = kmeanssample( X, ncluster, nsample=kmsample,
            delta=kmdelta, maxiter=kmiter, metric=metric, verbose=2 )
    else:
        randomcentres = randomsample( X, ncluster )
        centres, xtoc, dist = kmeans( X, randomcentres,
            delta=kmdelta, maxiter=kmiter, metric=metric, verbose=2 )
    print "%.0f msec" % ((time() - t0) * 1000)

    # also ~/py/np/kmeans/test-kmeans.py

Niektóre notatki dodane 26 marca 2012:

1) dla odległości cosinusowej, najpierw znormalizuj wszystkie wektory danych do | X | = 1; następnie

cosinedistance( X, Y ) = 1 - X . Y = Euclidean distance |X - Y|^2 / 2

jest szybki. W przypadku wektorów bitowych utrzymuj normy oddzielnie od wektorów, zamiast rozszerzać się do postaci zmiennoprzecinkowej (chociaż niektóre programy mogą się rozwijać). Dla rzadkich wektorów powiedz 1% z N, X. Y powinno zająć czas O (2% N), przestrzeń O (N); ale nie wiem, które programy to robią.

2) Klastrowanie Scikit-Learn daje doskonały przegląd k-średnich, mini-batch-k-średnich ... z kodem, który działa na macierzach scipy.sparse.

3) Zawsze sprawdzaj rozmiary klastrów po k-średnich. Jeśli spodziewasz się skupisk mniej więcej równych rozmiarów, ale one wychodzą [44 37 9 5 5] %... (dźwięk drapania głowy).

Niestety nie: obecna implementacja metody k-średnich scikit-learn wykorzystuje tylko odległości euklidesowe.

Nie jest trywialne rozszerzenie k-średnich na inne odległości, a powyższa odpowiedź denisa nie jest właściwym sposobem implementacji k-średnich dla innych metryk.

Po prostu użyj nltk, gdzie możesz to zrobić, np

from nltk.cluster.kmeans import KMeansClusterer
NUM_CLUSTERS = <choose a value>
data = <sparse matrix that you would normally give to scikit>.toarray()

kclusterer = KMeansClusterer(NUM_CLUSTERS, distance=nltk.cluster.util.cosine_distance, repeats=25)
assigned_clusters = kclusterer.cluster(data, assign_clusters=True)

Tak, możesz użyć funkcji metryki różnicy; jednak z definicji algorytm grupowania k-średnich opiera się na odległości eukldieowskiej od średniej każdego klastra.

Możesz użyć innego wskaźnika, więc nawet jeśli nadal obliczasz średnią, możesz użyć czegoś takiego jak odległość mahalnobisa.

Istnieje pyclustering, który jest python / C ++ (więc jest szybki!) I pozwala określić niestandardową funkcję metryczną

from pyclustering.cluster.kmeans import kmeans
from pyclustering.utils.metric import type_metric, distance_metric

user_function = lambda point1, point2: point1[0] + point2[0] + 2
metric = distance_metric(type_metric.USER_DEFINED, func=user_function)

# create K-Means algorithm with specific distance metric
start_centers = [[4.7, 5.9], [5.7, 6.5]];
kmeans_instance = kmeans(sample, start_centers, metric=metric)

# run cluster analysis and obtain results
kmeans_instance.process()
clusters = kmeans_instance.get_clusters()

Właściwie nie testowałem tego kodu, ale złożyłem go razem z biletu i przykładowego kodu .

k-średnie Spectral Python pozwala na użycie odległości L1 (Manhattan).

Sklearn Kmeans używa odległości euklidesowej . Nie ma parametru metrycznego. To powiedziawszy, jeśli grupowanie szeregów czasowych , można użyć tslearnpakietu python, gdy można określić metrykę ( dtw, softdtw, euclidean).