Обучение без учителя: 4 метода кластеризации данных на Python

Описаны четыре популярных метода обучения без учителя для кластеризации данных с соответствующими примерами программного кода на Python.

Обучение без учителя

Обучение без учителя (unsupervised learning, неконтролируемое обучение) – класс методов машинного обучения для поиска шаблонов в наборе данных. Данные, получаемые на вход таких алгоритмов обычно не размечены, то есть передаются только входные переменные X без соответствующих меток y. Если в контролируемом обучении (обучении с учителем, supervised learning) система пытается извлечь уроки из предыдущих примеров, то в обучении без учителя – система старается самостоятельно найти шаблоны непосредственно из приведенного примера.

На левой части изображения представлен пример контролируемого обучения: здесь для того, чтобы найти лучшую функцию, соответствующую представленным точкам, используется метод регрессии. В то же время при неконтролируемом обучении входные данные разделяются на основе представленных характеристик, а предсказание свойств основывается на том, какому кластеру принадлежит пример.

Методы кластеризации данных являются одним из наиболее популярных семейств машинного обучения без учителя. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Важная терминология

• Feature (Особенности): входная переменная, используемая для создания прогнозов.
• Predictions (Прогнозы): выходные данные модели при наличии входного примера.
• Example (Пример): строка набора данных. Пример обычно содержит один или несколько объектов.
• Label (Метки): результат функции.

Подготовка выборки для кластеризации данных

Для составления прогнозов воспользуемся классическим набором данных ирисов Фишера. Датасет представляет набор из 150 записей с пятью атрибутами в следующем порядке: длина чашелистика (sepal length), ширина чашелистика (sepal width), длина лепестка (petal length), ширина лепестка (petal width) и класс, соответствующий одному из трех видов: Iris Setosa, Iris Versicolor или Iris Virginica, обозначенных соответственно 0, 1, 2. Наш алгоритм должен принимать четыре свойства одного конкретного цветка и предсказывать, к какому классу (виду ириса) он принадлежит. Имеющиеся в наборе данных метки можно использовать для оценки качества предсказания.

Для решения задач кластеризации данных в этой статье мы используем Python, библиотеку scikit-learn для загрузки и обработки набора данных и matplotlib для визуализации. Ниже представлен программный код для исследования исходного набора данных.

В результате запуска программы вы увидим следующие текст и изображение.

На диаграмме фиолетовым цветом обозначен вид Setosa, зеленым – Versicolor и желтым – Virginica. При построении были взяты лишь два признака. Вы можете проанализировать как разделяются классы при других комбинациях параметров.

Цель кластеризации данных состоит в том, чтобы выделить группы примеров с похожими чертами и определить соответствие примеров и кластеров. При этом исходно у нас нет примеров такого разбиения. Это аналогично тому, как если бы в приведенном наборе данных у нас не было меток, как на рисунке ниже.

Наша задача – используя все имеющиеся данные, предсказать соответствие объектов выборки их классам, сформировав таким образом кластеры.

Метод k-средних

Наиболее популярным алгоритмом кластеризации данных является метод k-средних. Это итеративный алгоритм кластеризации, основанный на минимизации суммарных квадратичных отклонений точек кластеров от центроидов (средних координат) этих кластеров.

Первоначально выбирается желаемое количество кластеров. Поскольку нам известно, что в нашем наборе данных есть 3 класса, установим параметр модели n_clusters равный трем.

Теперь случайным образом из входных данных выбираются три элемента выборки, в соответствие которым ставятся три кластера, в каждый из которых теперь включено по одной точке, каждая при этом является центроидом этого кластера.

Далее ищем ближайшего соседа текущего центроида. Добавляем точку к соответствующему кластеру и пересчитываем положение центроида с учетом координат новых точек.  Алгоритм заканчивает работу, когда координаты каждого центроида перестают меняться. Центроид каждого кластера в результате представляет собой набор значений признаков, описывающих усредненные параметры выделенных классов.

Результат:

При выводе данных нужно понимать, что алгоритм не знает ничего о нумерации классов, и числа 0, 1, 2 – это лишь номера кластеров, определенных в результате работы алгоритма. Так как исходные точки выбираются случайным образом, вывод будет несколько меняться от одного запуска к другому.

Характерной особенностью набора данных ирисов Фишера является то, что один класс (Setosa) легко отделяется от двух остальных. Это заметно и в приведенном примере.

Иерархическая кластеризация

Иерархическая кластеризация, как следует из названия, представляет собой алгоритм, который строит иерархию кластеров. Этот алгоритм начинает работу с того, что каждому экземпляру данных сопоставляется свой собственный кластер. Затем два ближайших кластера объединяются в один и так далее, пока не будет образован один общий кластер.

Результат иерархической кластеризации может быть представлен с помощью дендрограммы. Рассмотрим этот тип кластеризации на примере данных для различных видов зерна.

Можно видеть, что в результате иерархической кластеризации данных естественным образом произошло разбиение на три кластера, обозначенных на рисунке различным цветом. При этом исходно число кластеров не задавалось.

Сравнение метода k-средних с иерархической кластеризацией данных

• Иерархическая кластеризация хуже подходит для кластеризации больших объемов данных в сравнении с методом k-средних. Это объясняется тем, что временная сложность алгоритма линейна для метода k-средних (O(n)) и квадратична для метода иерархической кластеризации (O(n²))
• В кластеризации при помощи метода k-средних алгоритм начинает построение с произвольного выбора начальных точек, поэтому, результаты, генерируемые при многократном запуске алгоритма, могут отличаться. В то же время в случае иерархической кластеризации результаты воспроизводимы.
• Из центроидной геометрии построения метода k-средних следует, что метод хорошо работает, когда форма кластеров является гиперсферической (например, круг в 2D или сфера в 3D).
• Метод k-средних более чувствителен к зашумленным данным, чем иерархический метод.

Понижение размерности с методом t-SNE

Метод t-SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding) представляет собой один из методов обучения без учителя, используемых для визуализации, например, отображения пространства высокой размерности в двух- или трехмерное пространство. t-SNE расшифровывается как распределенное стохастическое соседнее вложение.

Метод моделирует каждый объект пространства высокой размерности в двух- или трехкоординатную точку таким образом, что близкие по характеристикам элементы данных в многомерном пространстве (например, датасете с большим числом столбцов) проецируются в соседние точки, а разнородные объекты с большей вероятностью моделируются точками, далеко отстоящими друг от друга. Математическое описание работы метода можно найти здесь.

Вернемся к примеру с ирисами и посмотрим, как произвести моделирование по этому методу при помощи библиотеки sklearn.

В этом случае каждый экземпляр представлен четырьмя координатами – таким образом, при отображении признаков на плоскость размерность пространства понижается с четырех до двух.

Метод кластеризации на основе плотности DBSCAN

DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, плотностной алгоритм пространственной кластеризации с присутствием шума) – популярный алгоритм кластеризации, используемый в анализе данных в качестве одной из замен метода k-средних.

Метод не требует предварительных предположений о числе кластеров, но нужно настроить два других параметра: eps и min_samples. Данные параметры – это соответственно максимальное расстояние между соседними точками и минимальное число точек в окрестности (количество соседей), когда можно говорить, что эти экземпляры данных образуют один кластер. В scikit-learn есть соответствующие значения параметров по умолчанию, но, как правило, их приходится настраивать самостоятельно.

Об устройстве алгоритма простыми словами и о математической подноготной можно прочитать в этой статье.

Источник: proglib.io

Комментарии: