Est-il possible de spécifier votre propre fonction de distance en utilisant le clustering K-Means de scikit-learn?
Est-il possible de spécifier votre propre fonction de distance en utilisant le clustering K-Means de scikit-learn?
Voici un petit kméen qui utilise l’une des 20 distances impaires de scipy.spatial.distance , ou une fonction utilisateur.
Les commentaires seraient les bienvenus (un seul utilisateur à ce jour, pas assez); en particulier, quelles sont vos N, dim, k, métriques?
#!/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 __== "__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
Quelques notes ajoutées le 26 mars 2012:
1) pour la distance en cosinus, commencez par normaliser tous les vecteurs de données sur | X | = 1; puis
cosinedistance( X, Y ) = 1 - X . Y = Euclidean distance |X - Y|^2 / 2
est rapide. Pour les vecteurs de bits, conservez les normes séparément des vecteurs au lieu de développer des flottants (bien que certains programmes puissent s’étendre pour vous). Pour les vecteurs épars, disons 1% de N, X. Y devrait prendre du temps O (2% N), espace O (N); mais je ne sais pas quels programmes font cela.
2) Scikit-learn clustering donne un excellent aperçu de k-moyennes, mini-lots-k-moyennes ... avec un code qui fonctionne sur les matrices scipy.sparse.
3) Vérifiez toujours la taille des grappes après k-means. Si vous vous attendez à des grappes à peu près égales, mais qui sortent [44 37 9 5 5] % ... (son de grattement de tête).
Malheureusement non: la mise en œuvre actuelle de k-means dans scikit-learn utilise uniquement les distances euclidiennes.
Il n'est pas trivial d'étendre k-means à d'autres distances et la réponse de denis ci-dessus n'est pas la bonne façon d'implémenter k-means pour d'autres métriques.
Utilisez simplement nltk à la place, par exemple.
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)
Oui, vous pouvez utiliser une fonction de métrique de différence. Cependant, par définition, l'algorithme de classification k-moyennes repose sur la distance eucldienne de la moyenne de chaque cluster.
Vous pouvez utiliser une métrique différente. Ainsi, même si vous calculez toujours la moyenne, vous pouvez utiliser quelque chose comme la distance de mahalnobis.
k-moyennes de Spectral Python permet l'utilisation de la distance L1 (Manhattan).
Il y a pyclustering qui est python/C++ (donc c'est rapide!) Et vous permet de spécifier une fonction de métrique personnalisée
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()
En fait, je n’ai pas testé ce code, mais l’a assemblé à partir de n ticket et exemple de code .
Sklearn Kmeans utilise le distance euclidienne. Il n'a pas de paramètre métrique. Ceci dit, si vous mettez en cluster série chronologique, vous pouvez utiliser le package tslearn python, lorsque vous pouvez spécifier une métrique (dtw, softdtw, euclidean).