スキップしてメイン コンテンツに移動

Implement kernel k-means

Introduction  

Today, I implement kernel k-means. The k-means algorithm is clustering algorithm. A reason that I implement kernel k-means algorithm is that I and my friend conceived introducing kernel to k-means. I investigated paper of kernel k-means. I found [This page](http://www.cs.utexas.edu/users/inderjit/public_papers/kdd_spectral_kernelkmeans.pdf)  Thus I could implement kernel k-means algorithm. I introduce the implementation of normal k-means and kernel k-means.


I handle the only implementation of kernel k-means. I will write the theory of kernel k-means. If I finished writing it, I publish on this post.

# I finished. Theorem of K-means

Overview  


  • dataset  
  • a few explaining k-means
  •  k-means  
  •  kernel k-means  


Dataset  

I used two datasets. first data is designated for normal k-means. second data is designated for kernel k-means.


First data has consisted of three group and two-dimensional data, 300 samples.
The distribution is as follow.

Second data has consisted of two groups and two dimensional, 300 samples.
The distribution is as follow.

I publish a code of dataset.
THIS PAGE!!
A few explaining k-means
k-means algorithm computes mean vector in K class. second, k-means algorithm computes the distance between each data point and each mean vector. third, k-means algorithm choice as a new label of data point. How to choice is a mean vector in class K which minimize the distance between a mean vector and data point.
k-means  


Firstly, I implement normal k-means algorithm. I use first data to test my code. A Result of the test is complicated.


The centroid is mean vactor.


However, the k-means algorithm has weak points. You can understand by looking as follow.


This image is results that I use my k-means algorithm for second data.
Normal k-means depend on Euclid distance between the mean vector and data point in data space. Therefore I failed to cluster.

Kernel k-means
I failed to cluster in normal k-means.
However, I success clustering by using kernel trick.
Its result is as follow.



This clustering is complicated.
the kernel is the best way of non-linear clustering.


CODE
My code of kernel k-means algorithm is published in this page.

A git_Kmeans_def.py file is written function used in normal k-means.
A git_Kmeans_main.py file is the main file. This file is written if __name == '__main__':.

A git_kernel_Kemans_def.py file is written function used in kernel k-means.
A git_kernel_Kemans_main.py file is a main file. This file is written if __name__ == '__main__':

Reference  

http://www.cs.utexas.edu/users/inderjit/public_papers/kdd_spectral_kernelkmeans.pdf
https://sites.google.com/site/dataclusteringalgorithms/kernel-k-means-clustering-algorithm
Labels:

コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

K-means 理論編

Introduction English ver 今日はK-meansアルゴリズムの理論について書きます。 K-meansアルゴリズムはクラスタリングのためのアルゴリズムです。 K-meansの実装の記事は カーネルK-meansの実装 を御覧ください。 この記事はカーネルK-menasの実装についての記事ですが、通常のK-meansの実装も行っています。カーネルK-meansについてはまた、今度別の記事で紹介したいと思います。 概要 1 of K 符号化法 プロトタイプ 歪み尺度 最適化 1 of K 符号化法 K-meansはK個のクラスについて分類することを考えます。 K-meansでは $x_n$がkのクラスに属していることを次のように表します。 ベクトル$r_n:1 \times K$ を $$r_n := (0,0,..,1,..,0)$$ このベクトルはk番目にのみ1を持ち、それ以外は0を要素に持つようなベクトルです。 こののような表現の仕方を1 of K符号化法と呼びます。 プロトタイプ K-meansではプロトタイプと呼ばれるベクトルを選びます。このベクトルは各クラスに一つあり、そのクラスの代表のようなベクトルです。 K-means ではそのようなベクトルは各クラスの平均ベクトルとなります。これは目的関数から自然と導かれます。 歪み尺度 プロトタイプベクトルを $\mu_i ~\forall k \in K$とします。 この時、k-meansの目的関数は次のようになります。 $$J = \sum_{n=1}^{N} \sum_{k=1}^{K} r_{nk} ||x_n-\mu_k||^2$$ ここで、 $r_{nk}$ は$r_n$のk番目の要素です。 この目的関数について少し説明をします。$r_{n}$は$x_n$が属しているクラスのラベルの場所だけ1で他は０であるので、 $$J = \sum_{n=1}^{N} ||x_n - \mu_{x_n}||$$ ここで、$\mu_{k_n}$は$x_n$が属しているクラスのプロトタイプです。 よって、 $$J = ||x_1 - \mu_{x_1}|| + ||x_2 -\mu_{x_2}|| + ...
コメントを投稿
続きを読む

ダイクストラ法

Introduction English ver 今日は、ダイクストラ法について書きます。ダイクストラ法とは最短距離を求めるアルゴリズムです。地図はグラフで表されます。もし、まだ this page を見ていない方は先にこちらをご覧ください。今回はこの記事を前提としています。このページでは、グラフの定義と、ヒープ構造について書いています。ダイクストラ法ではヒープ構造を使って、かなりの計算量を落とします。 この スライド はダイクストラ法を説明したスライドです。 Overview アルゴリズム 実装 アルゴリズム このアルゴリズムは スタート始点のノードを決める。そして、それをAと名付ける。 各ノードに$d=\infty$を割り当てる。ただし、スタート地点はd=0 Aの隣接ノードのリストをadj_listと名付ける。  For adj in adj_list:  If d of adj > d of A + weight to adj -> d = A + weight to adj. グラフnetworkからAを取り除く グラフnetworkの中で最初のdを持っているノードをAとし、4に戻る。 となっています。 このアルゴリズムを図を用いて説明します。  このグラフを使って説明します。  初めに、スタート地点を決めます。そして、各ノードに$d=\infty$を割り当てます。  Aから始まります。Aの隣接ノードであるBのdを更新します。もし、現在のBよりもAのdとA->Bへの重みを足したもののほうが小さいならdをその値に更新します。同じようにCnのdを更新します。 次にAを取り除きます。  次はBから始まります。Aと同じことをやります。 このダイクストラ法では今のような操作をグラフの全てのノードに×がつくまで続きます。 実装 このアルゴリズムでは$O(log(|V|^2))$という計算量を持っています。最小のdを持つノードを探すのに時間がかかります。 しかし、ヒープ構造を使えばO((E+V)log(V))に減らせます。ヒープ構造で現時点での...
コメントを投稿
続きを読む

ヘッセ行列

Introduction English ver 今日は、ヘッセ行列を用いたテイラー展開について書こうと思います。 これは最適化を勉強するにあたって、とても大事になってくるので自分でまとめて残しておくことにしました。とくに、機械学習では最適化を必ず行うため、このブログのタイトルにもマッチした内容だと思います。 . 概要 ヘッセ行列の定義 ベクトルを用いたテイラー展開 関数の最適性 ヘッセ行列の定義 仮定 f は次のような条件を満たす関数です。. f はn次元ベクトルから実数値を出力します。 このベクトルは次のように表せます。 \[x = [x_1,x_2,,,,x_n]\] \(\forall x_i , i \in {1,2,,,n}\), f は二回偏微分可能です。 定義 ヘッセ行列は \(\frac{\partial^2}{\partial x_i \partial x_j}を (i,j)要素に持ちます。\) よってヘッセ行列は次のように表せます。 \[ H(f) = \left( \begin{array}{cccc} \frac{\partial^ 2}{\partial x_1^2} & \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_2} & &\ldots \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_n} \\ \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_1 \partial x_2} & \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_2^ 2} & \ldots & \frac{\partial^2 f}{\partial x_2 \partial x_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_n \partial x_2} & \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_n \partial x_2} & \ldo...
コメントを投稿
続きを読む