スキップしてメイン コンテンツに移動

Theorem of K-means

Introduction

Today, I will write about the theorem of K-means algorithm. K-means algorithm is a method to do clustering about K of class.

The post of implement K-means is
Implement kernel K-means
This post is written about kernel K-means. The kernel K-means is the method which covers the weak point of K-means. I will explain kernel K-means another post.

Overview

  • 1 of K coding scheme
  • prototype vector
  • Distortion measure
  • Computing

1 of K coding scheme

K-means algorithm is clustering K of class. Now, K-means algorithm expresses that $x_n$ be belong to k like as follows.
Let vector $r_n:1 \times K$ is
$$r_n := (0,0,..,1,..,0)$$
this vector have 1 in element of k'th and have 0 in else.

This expression is called 1 of K coding scheme.

Prototype vector

K-means algorithm chooses vector which called a prototype. this vector has represented by the cluster. K-means algorithm is regard mean vector as representative of the cluster. It is naturally derived from the objective function.

Distortion measure

Let prototype vector is $\mu_i ~\forall k \in K$.
Then, k-means have the objective function like as follows.

$$J = \sum_{n=1}^{N} \sum_{k=1}^{K} r_{nk} ||x_n-\mu_k||^2$$

here, $r_{nk}$ is k'th element of $r_n$.

I explain about this objective function. because $r_{n}$ have only 1 in k'th element,

$$J = \sum_{n=1}^{N} ||x_n - \mu_{x_n}||$$

here, $\mu_{k_n}$ is prototype vector of class which belonged $x_n$.

Thus,
$$J = ||x_1 - \mu_{x_1}|| + ||x_2 -\mu_{x_2}|| + ... + ||x_N - \mu_{x_N}||$$


Firstly,I minimise $J$ about $r_n$.

Because $||x_n-\mu_k||^2$ is distance between $x_n$ and prototype vector of class k,
$r_n$ is decided as follows.

$$k = \arg \min_{j} || x_n - \mu_{j} || \implies r_{nk} = 1$$
$$else \implies r_{n_k} = 0$$



Secondly, I minimise $J$ about $\mu_k$ when I fix $r_{n_k}$.
Partial is
$$2\sum_{n=1} ^{N} r_{n_k} (x_n-\mu_k) = 0$$
Thus,
$$2\sum_{n=1} ^{N} \{r_{n_k} x_n\} - \mu_k \sum_{n=1}^{N}r_{n_k} = 0 $$
$$\mu_k = \frac{\sum_{n} r_{n_k} x_n}{\sum_n r_{n_k}}$$

We regard this value of $\mu_k$ as mean vector of class k.

As result, we found prototype vector is mean vector.

If you know EM algorithm, minimizing $J$ about $r_n$ is E step and minimizing $J$ about $\mu$ when I fix $r_n$ is M step.

Reference
https://www.amazon.co.jp/パターン認識と機械学習-上-C-M-ビショップ/dp/4621061224

コメント

このブログの人気の投稿

最尤推定

Introduction English ver 今日は最尤推定について加工と思います。これは統計的推定でよく使われる手法です。最尤推定の例も書こうと思います。初めに尤度の説明をし、そのあとで最尤推定の説明をします。 概要 尤度 最尤推定 最尤推定の問題点 尤度 前提条件から得られる観察データを考えます。この時、えられた観測データに対して前提条件が尤もらしい条件であるかの値を尤度といいます。 なにをゆっているのかわからない人がほとんどだと思います。。。 尤度の例を扱っていきます。 コインを投げることを考えます。このコインは確率Pで表、確率1-Pで裏を出すコインだとします。 例えば、100回コインを投げたとき、全て表だったとします。この時このコインが表が出る確率はかなり1に近いことが予想されます。 ではもし、表が出る確率PがP=0.5だとします。この時、表が100回連続で出る確率は$0.5^{100} = 7.88860e-31$になります。あり得ない確率ですね。これがP=0.5としたときのもっともらしさです。つまり、あまり現実的ではないということです。 もしP=0.99とするとき、100回とも表が出る確率は$0.99^{100} = 0.3666....$となります。つまり、P=0.99としたときの尤度は0.36くらいということです。よって、P=0.5よりかは現実見があることになります。まだまだ低い数字ではありますが。 観測データである、100回表が出るという事象を固定したとき、尤度はPを変数としたP(100回表|P)を尤度関数と呼びます。この関数の値を尤度と呼びます。 尤度が高いほうが尤もらしい値、つまり理にかなっているなと感じることができる値ということになります。 例えば、先ほどの例でゆうと、 P=0.5としたときの尤度は7.88860e-31でした。P=0.99としたときの尤度は0.3666でした。よってP=0.5より、P=0.99のほうが尤もらしい自然な値ということになります。 最尤推定 最尤推定とは得られた観測データからデータが依存している分布のパラメーターを推測するための手法です。 最尤推定では尤度を最大化して、最も尤もらしいパラメーターを求めます。 確率密度関数...

heap structure

Introduction 日本語 ver Today, I will write about heap structure. The heap structure is one of the data structure. My reason of studying heap structure is that I joined seminar of Ritsumeikan Univ. I used this  slide  in seminar of Ritsumeikan Univ. Overview data structure binary tree heap Implementation heap sort Data structure I will explain about data structure before explaining about heap. Data structure is how to keep data. Data structure is selected on the basis of operation which you want to.  Heap belong to data structure called priority queue. priority queue have purpose which  add data pick up minimum data (and remove)  Binary Tree Let, E and V are sets. The element $e \in E$ is called edge. The element $v \in V$ is called node. g:E->V×V is map to V × V from E. (E,V,g) is called graph. For example, The arrows are edge. The circles are node. This is expressed map. It is possible to go to node 3 from 1....

Pythonでグラフ理論

Introduction English ver 今日はnetworkxというpythonのモジュールについて書きます。 グラフ理論の定義などの情報は ここ の記事に書いてあります。 この記事ではグラフ理論の中身については扱いませんが、Pythonでのnetworkxというモジュールについてメモをしておきます。 Networkx Python3にはnetworkxはすでに入っています。 Python2の方はpipを使ってinstallしてください。コマンドラインで以下のコマンドを実行します。 pip install networkx ではNetworkxを使ってグラフを作っていきます。 初めにimportをしてインスタンスを作っていきます。 import networkx as nx import matplotlib.pyplot as plt G = nx.Graph() 次にグラフにノード(頂点)とエッジ(枝)を入れていきます。 G.add_node(1) # add Multiple nodes G.add_nodes_from([2,3,4]) G.add_edge(1,2) # add Multiple edges G.add_edges_from([(3,4),(1,2),(4,6)]) ではこのGのグラフを描画していきましょう。 以下のコードで描画できます。 nx.draw(G) plt.show() Networkxはたくさんの関数を持っています。 また、随時追記していきたいと思います。 Reference https://qiita.com/kzm4269/items/081ff2fdb8a6b0a6112f http://akiniwa.hatenablog.jp/entry/2013/05/12/012459