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OPTICS(Ordering points to identify the clustering structure)是一基于密度的聚类算法 OPTICS算法是DBSCAN的改进版本 在DBCSAN算法中需要输入两个参数#xff1a; ϵ 和 MinPts #xff0c;选择不同的参数会导致最终聚类的结果千差万别#xff0c;因此DBCSAN…1 基本介绍
OPTICS(Ordering points to identify the clustering structure)是一基于密度的聚类算法 OPTICS算法是DBSCAN的改进版本 在DBCSAN算法中需要输入两个参数 ϵ 和 MinPts 选择不同的参数会导致最终聚类的结果千差万别因此DBCSAN对于输入参数过于敏感 机器学习笔记DBSCAN_dbscan参数选取-CSDN博客OPTICS算法的提出就是为了帮助DBSCAN算法选择合适的参数降低输入参数的敏感度 OPTICS主要针对输入参数ϵ过敏感做的改进OPTICS和DBSCNA的输入参数一样 ϵ 和 MinPts 虽然OPTICS算法中也需要两个输入参数但该算法对 ϵ 输入不敏感一般将 ϵ 固定为无穷大【不太清楚为什么不直接不输入ε呢】同时该算法中并不显式的生成数据聚类只是对数据集合中的对象进行排序得到一个有序的对象列表 通过该有序列表可以得到一个决策图通过决策图可以不同 ϵ 参数的数据集中检测簇集即先通过固定的 MinPts 和无穷大的 ϵ 得到有序列表然后得到决策图通过决策图可以知道当 ϵ 取特定值时比如 ϵ3 数据的聚类情况。
1.1 和DBSCAN相似的概念
ε、minPts、核心点、边缘点、噪点、密度直达直接密度可达、密度可达、密度相连 这些概念可见“机器学习笔记DBSCAN_dbscan参数选取-CSDN博客 1.2 OPTICS新的定义
1.2.1 核心距离
换句话说如果x不是核心点那么cd(x)就没有意义
1.2.2 可达距离 也是如果x不是核心点那么rd(y,x)没有意义如果y在x的ε领域内那么rd(y,x)cd(x)如果在x的ε领域外那么就是d(y,x)
1.3 算法思想
假设数据集为OPTICS算法的目标是输出一个有序排列以及每个元素的两个属性值核心距离可达距离。
1.3.1 OPTICS算法的数据结构 1.4 算法流程
输入数据集领域参数ε一般等于∞MinPts
创建两个队列有序队列O和结果队列R 有序队列用来存储核心对象及其该核心对象的密度直达对象并按可达距离升序排列 理解为待处理的数据结果队列用来存储样本点的输出次序 已经处理完的数据如果D中所有点都处理完毕或者不存在核心点则算法结束。否则 选择一个未处理即不在结果队列R中且为核心对象的样本点 p将 p 放入结果队列R中并从X中删除 p找到 X 中 p 的所有密度直达样本点 x计算 x 到 p 的可达距离 如果 x 不在有序队列O 中则将 x 以及可达距离放入 O 中若 x 在O中则如果 x 新的可达距离更小则更新 x 的可达距离最后对O中数据按可达距离从小到大重新排序。如果有序队列O为空则回到步骤2否则 取出O 中第一个样本点 y即可达距离最小的样本点放入 R 中从 D 和 O 中删除 y如果 y 不是核心对象则重复步骤 3即找 O 中剩余数据可达距离最小的样本点如果 y 是核心对象则 找到 y 在 D 中的所有密度直达样本点计算到 y 的可达距离所有 y 的密度直达样本点更新到 O 中对O中数据按可达距离从小到大重新排序。重复步骤2、3直到算法结束。最终可以得到一个有序的输出结果以及相应的可达距离。
1.5 举例
样本数据集为D {[1, 2], [2, 5], [8, 7], [3, 6], [8, 8], [7, 3], [4,5]} 假设eps infmin_samples2则数据集D在OPTICS算法上的执行步骤如下
计算所有的核心对象和核心距离 因为 eps 为无穷大则显然每个样本点都是核心对象因为 min_samples2则每个核心对象的核心距离就是离自己最近样本点到自己的距离样本点自身也是邻域元素之一 索引0123456元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41随机在 D 中选择一个核心对象 假设选择 0 号元素将 0 号元素放入 R 中并从 D 中删除因为 eps inf则其他所有样本点都是 0 号元素的密度直达对象计算其他所有元素到 0 号元素的可达距离计算所有元素到 0 号元素的欧氏距离)按可达距离排序添加到序列 O 中此时D{1,2,3,4,5,6},R{0},O{1,6,3,5,2,4} 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第一次可达距离--3.168.604.479.216.084.240此时 O 中可达距离最小的元素是 1 号元素 取出 1 号元素放入 R 并从 D 和 O 中删除因为 1 号元素是核心对象找到 1 号元素在 D 中的所有密度直达对象剩余的所有样本点并计算可达距离同时更新 O此时 D{2,3,4,5,6} R{0,1} O{3,6,5,2,4} 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第二次可达距离----6.321.416.705.382.01此时 O 中可达距离最小的元素是 3 号元素 取出 3 号元素放入 R 并从 D 和 O 中删除因为 3 号元素是核心对象找到 3 号元素在 D 中的所有密度直达对象剩余的所有样本点并计算可达距离同时更新 O此时D{2,4,5,6} R{0,1,3} O{6,5,2,4} 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第三次可达距离----5.09--5.395.01.413此时 O 中可达距离最小的元素是 6 号元素 取出 6 号元素放入 R 并从 D 和 O 中删除因为 6 号元素是核心对象找到 6 号元素在 D 中的所有密度直达对象剩余的所有样本点并计算可达距离,同时更新 O此时D{2,4,5},R{0,1,3,6},O(5,2,4} 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第四次可达距离----4.47--5.03.61--6此时 O 中可达距离最小的元素是 5 号元素 取出 5 号元素放入 R 并从 D 和 O 中删除因为 5 号元素是核心对象找到 5 号元素在 D 中的所有密度直达对象剩余的所有样本点并计算可达距离同时更新 O。注意本次计算的4号元素到5号元素的可达距离是5.10大于5.0因此不更新4号元素的可达距离此时D{2,4}R{0,1,3,6,5} O(2,4) 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第五次可达距离----4.12-- 5.0 (5.10) ----5此时 O 中可达距离最小的元素是 2 号元素 取出 2 号元素放入 R 并从 D 和 O 中删除因为 2 号元素是核心对象找到 2 号元素在 D 中的所有密度直达对象并计算可达距离同时更新 O 索引0123456核心对象元素(1, 2)(2, 5)(8, 7)(3, 6)(8, 8)(7, 3)(4, 5)核心距离3.161.411.01.411.03.611.41第六次可达距离--------1.0----2
所以最后的R:(0,1,3,6,5,2,4) ,对应的可达距离为{∞3.161.411.413.614.121.0}
按照最终的输出顺序绘制可达距离图 可以发现可达距离呈现两个波谷也即表现为两个簇波谷越深表示簇越紧密只需要在两个波谷之间取一个合适的 eps 分隔值图中蓝色的直线使用 DBSCAN 算法就会聚类为两个簇。即第一个簇的元素为0、1、3、6、5第二个簇的元素为2、4。
1.4 和DBSCAN的异同
OPTICS算法与DBSCAN算法有许多相似之处可以被视为DBSCAN的一种泛化它将eps要求从单一值放宽到值范围DBSCAN和OPTICS之间的关键区别在于OPTICS算法构建了一个可达性图为每个样本分配了一个可达性距离和在集群排序属性中的位置 这两个属性在模型拟合时被赋值并用于确定集群成员资格
1.5 可达性距离
OPTICS生成的可达性距离允许在单个数据集中提取可变密度的集群 结合可达性距离和数据集排序产生了一个可达性图其中点密度在Y轴上表示点的排序使得附近的点相邻平行于x轴“切割”可达性图产生了类似DBSCAN的结果: 所有在“切割”线以上的点被分类为噪声每当从左到右阅读时出现间断时就标志着一个新的集群OPTICS的默认集群提取方法是查看图中的陡峭斜坡以找到集群可以使用xi参数定义什么算作陡峭斜坡 1.6 计算复杂度
空间索引树用于避免计算完整的距离矩阵并允许在大量样本集上有效地使用内存对于大型数据集可以通过HDBSCAN获得类似但不完全相同的结果。 HDBSCAN实现是多线程的并且比OPTICS具有更好的算法运行时间复杂性但以较差的内存扩展为代价 2 sklearn.cluster.OPTICS
class sklearn.cluster.OPTICS(*, min_samples5, max_epsinf, metricminkowski, p2, metric_paramsNone, cluster_methodxi, epsNone, xi0.05, predecessor_correctionTrue, min_cluster_sizeNone, algorithmauto, leaf_size30, memoryNone, n_jobsNone)
2.1 主要参数
min_samples int 1 或介于0和1之间的浮点数默认为5 点被视为核心点时邻域中的样本数量 如果是浮点数表示样本数量的一部分 max_eps 两个样本被视为彼此邻域的最大距离。 np.inf的默认值将识别所有规模的聚类 降低max_eps将导致更短的运行时间 metric str或可调用默认为minkowski 用于距离计算的度量。可以使用 来自scikit-learn[cityblock, cosine, euclidean, l1, l2, manhattan] 来自scipy.spatial.distance[braycurtis, canberra, chebyshev, correlation, dice, hamming, jaccard, kulsinski, mahalanobis, minkowski, rogerstanimoto, russellrao, seuclidean, sokalmichener, sokalsneath, sqeuclidean, yule] p闵可夫斯基度量的参数xi float在0和1之间默认为0.05 确定可达性图中构成聚类边界的最小陡度。 例如可达性图中的向上点被定义为一个点与其后继的比率最多为1-xi。 仅在cluster_methodxi时使用 min_cluster_size int 1 或介于0和1之间的浮点数默认为None OPTICS聚类中的最小样本数量表示为绝对数量或样本数量的一部分至少为2。如果为None则使用min_samples的值。 仅在cluster_methodxi时使用。 algorithm {auto, ball_tree, kd_tree, brute}默认为auto 用于计算最近邻居的算法 ball_tree将使用BallTree。 kd_tree将使用KDTree。 brute将使用蛮力搜索。 auto默认将尝试根据传递给fit方法的值决定最合适的算法。 leaf_size传递给BallTree或KDTree的叶子大小。这会影响构建和查询的速度以及存储树所需的内存。最佳值取决于问题的性质。cluster_method str默认为xi 使用计算的可达性和排序提取聚类的方法。可能的值是“xi”和“dbscan”
2.2. 举例
from sklearn.cluster import OPTICS
import numpy as npX np.array([[1, 2], [1, 4], [1, 0],[10, 2], [10, 4], [10, 0]])opOPTICS(min_samples2).fit(X)op.labels_
#array([0, 0, 0, 1, 1, 1])op.ordering_
#array([0, 1, 2, 3, 4, 5])
#按聚类顺序排列的样本索引列表op.reachability_
#array([inf, 2., 2., 9., 2., 2.])
#按对象顺序索引的每个样本的可达距离op.core_distances_
#array([inf, 2., 2., 9., 2., 2.])
#每个样本成为核心点的核心距离
#永远不会成为核心的点的距离为无穷大。 参考内容机器学习笔记十一聚类算法OPTICS原理和实践_optics聚类_大白兔黑又黑的博客-CSDN博客
4聚类算法之OPTICS算法 - 知乎 (zhihu.com) 文章转载自： http://www.morning.hdwjb.cn.gov.cn.hdwjb.cn http://www.morning.rfpxq.cn.gov.cn.rfpxq.cn http://www.morning.zdzgf.cn.gov.cn.zdzgf.cn http://www.morning.rycd.cn.gov.cn.rycd.cn http://www.morning.zmnyj.cn.gov.cn.zmnyj.cn http://www.morning.bswxt.cn.gov.cn.bswxt.cn http://www.morning.jtqxs.cn.gov.cn.jtqxs.cn http://www.morning.lsqmb.cn.gov.cn.lsqmb.cn http://www.morning.playmi.cn.gov.cn.playmi.cn http://www.morning.mingjiangds.com.gov.cn.mingjiangds.com http://www.morning.lxfdh.cn.gov.cn.lxfdh.cn http://www.morning.cnbdn.cn.gov.cn.cnbdn.cn http://www.morning.gmnmh.cn.gov.cn.gmnmh.cn http://www.morning.qpljg.cn.gov.cn.qpljg.cn http://www.morning.gqfbh.cn.gov.cn.gqfbh.cn http://www.morning.yrjkp.cn.gov.cn.yrjkp.cn http://www.morning.lgpzq.cn.gov.cn.lgpzq.cn http://www.morning.pdbgm.cn.gov.cn.pdbgm.cn http://www.morning.nzmhk.cn.gov.cn.nzmhk.cn http://www.morning.yzdth.cn.gov.cn.yzdth.cn http://www.morning.kzpxc.cn.gov.cn.kzpxc.cn http://www.morning.qgjxt.cn.gov.cn.qgjxt.cn http://www.morning.drcnf.cn.gov.cn.drcnf.cn http://www.morning.gqfbh.cn.gov.cn.gqfbh.cn http://www.morning.xsgxp.cn.gov.cn.xsgxp.cn http://www.morning.swkpq.cn.gov.cn.swkpq.cn http://www.morning.mmzhuti.com.gov.cn.mmzhuti.com http://www.morning.zqfz.cn.gov.cn.zqfz.cn http://www.morning.kcbml.cn.gov.cn.kcbml.cn http://www.morning.qwhbk.cn.gov.cn.qwhbk.cn http://www.morning.rdlfk.cn.gov.cn.rdlfk.cn http://www.morning.ckdgj.cn.gov.cn.ckdgj.cn http://www.morning.jbtzx.cn.gov.cn.jbtzx.cn http://www.morning.mbmh.cn.gov.cn.mbmh.cn http://www.morning.ldhbs.cn.gov.cn.ldhbs.cn http://www.morning.hdqqr.cn.gov.cn.hdqqr.cn http://www.morning.sqqkr.cn.gov.cn.sqqkr.cn http://www.morning.nxdqz.cn.gov.cn.nxdqz.cn http://www.morning.qggcc.cn.gov.cn.qggcc.cn http://www.morning.gbtty.cn.gov.cn.gbtty.cn http://www.morning.ljsxg.cn.gov.cn.ljsxg.cn http://www.morning.thjqk.cn.gov.cn.thjqk.cn http://www.morning.jfcbz.cn.gov.cn.jfcbz.cn http://www.morning.nlpbh.cn.gov.cn.nlpbh.cn http://www.morning.weitao0415.cn.gov.cn.weitao0415.cn http://www.morning.grjh.cn.gov.cn.grjh.cn http://www.morning.bhrbr.cn.gov.cn.bhrbr.cn http://www.morning.coatingonline.com.cn.gov.cn.coatingonline.com.cn http://www.morning.mhybs.cn.gov.cn.mhybs.cn http://www.morning.bctr.cn.gov.cn.bctr.cn http://www.morning.tfpmf.cn.gov.cn.tfpmf.cn http://www.morning.kgkph.cn.gov.cn.kgkph.cn http://www.morning.fktlg.cn.gov.cn.fktlg.cn http://www.morning.bftr.cn.gov.cn.bftr.cn http://www.morning.cgtrz.cn.gov.cn.cgtrz.cn http://www.morning.bnrff.cn.gov.cn.bnrff.cn http://www.morning.dqkrf.cn.gov.cn.dqkrf.cn http://www.morning.jmbgl.cn.gov.cn.jmbgl.cn http://www.morning.znnsk.cn.gov.cn.znnsk.cn http://www.morning.yfmxn.cn.gov.cn.yfmxn.cn http://www.morning.dybth.cn.gov.cn.dybth.cn http://www.morning.lltdf.cn.gov.cn.lltdf.cn http://www.morning.xhftj.cn.gov.cn.xhftj.cn http://www.morning.qnbzs.cn.gov.cn.qnbzs.cn http://www.morning.hjbrd.cn.gov.cn.hjbrd.cn http://www.morning.mrgby.cn.gov.cn.mrgby.cn http://www.morning.qyglt.cn.gov.cn.qyglt.cn http://www.morning.nzfyx.cn.gov.cn.nzfyx.cn http://www.morning.zrjzc.cn.gov.cn.zrjzc.cn http://www.morning.gydsg.cn.gov.cn.gydsg.cn http://www.morning.crfjj.cn.gov.cn.crfjj.cn http://www.morning.mtymb.cn.gov.cn.mtymb.cn http://www.morning.jwcmq.cn.gov.cn.jwcmq.cn http://www.morning.svrud.cn.gov.cn.svrud.cn http://www.morning.jthjr.cn.gov.cn.jthjr.cn http://www.morning.jngdh.cn.gov.cn.jngdh.cn http://www.morning.xkjqg.cn.gov.cn.xkjqg.cn http://www.morning.gwzfj.cn.gov.cn.gwzfj.cn http://www.morning.mldrd.cn.gov.cn.mldrd.cn http://www.morning.jzyfy.cn.gov.cn.jzyfy.cn
