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scikit-learn K-Meansクラスタリングを使用して独自の距離関数を指定することは可能ですか？

Scikit-learn K-Meansクラスタリングを使用して独自の距離関数を指定することは可能ですか？

pythonmachine-learningcluster-analysisk-meansscikit-learn
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bmasc

scipy.spatial.distance の20奇数の距離のいずれか、またはユーザー関数を使用する小さなkmeansです。
コメントを歓迎します（これまでのところ、ユーザーが1人だけで十分ではありません）。特に、N、dim、k、metricは何ですか？

#!/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

2012年3月26日に追加された注記：

1）コサイン距離の場合、まずすべてのデータベクトルを| X |に正規化します。 = 1;それから

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

速いです。ビットベクトルの場合、浮動小数点数に展開するのではなく、ベクトルとは別にノルムを維持します（ただし、一部のプログラムは自動的に展開されます）。スパースベクトルの場合、N、Xの1％とします。 Yは時間O（2％N）、スペースO（N）が必要です。しかし、どのプログラムがそれを行うのかわかりません。

2） Scikit-learn clustering は、scipy.sparse行列で機能するコードを使用して、k-means、mini-batch-k-meansの優れた概要を提供します。

3）k-meansの後、クラスターサイズを常に確認します。ほぼ同じサイズのクラスターを期待しているが、それらが[44 37 9 5 5] % ...（頭をひっかく音）が出てくる場合。

71
denis

残念ながらいいえ：現在のk-meansの実装は、ユークリッド距離のみを使用しています。

K-meansを他の距離に拡張することは簡単ではなく、上記のdenisの答えは、他のメトリックのk-meansを実装する正しい方法ではありません。

35
ogrisel

これを行うことができる場所ではなく、nltkを使用してください。

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)
23
mdubez

はい、差分メトリック関数を使用できます。ただし、定義により、k-meansクラスタリングアルゴリズムは、各クラスターの平均からのユークリッド距離に依存しています。

別のメトリックを使用することもできるため、平均値をまだ計算している場合でも、マハルノビス距離などを使用できます。

12
Adam

スペクトルPythonのk-means は、L1（マンハッタン）距離の使用を許可します。

5
Igor Fobia

pyclustering があり、これはpython/C++なので（高速です！）、カスタムメトリック関数を指定できます。

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()

実際、このコードはテストしていませんが、 a ticket および example code からまとめました。

5
CpILL

Sklearn Kmeansはユークリッド距離を使用します。メトリックパラメーターはありません。 時系列をクラスタリングしている場合、メトリック（tslearn、dtw、softdtw）を指定できる場合は、euclidean pythonパッケージを使用できます。

1
Tawej