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KMeans算法原理及Spark实现是怎样的

发布时间:2021-12-03 19:05:17 来源:亿速云 阅读:168 作者:柒染 栏目:大数据

这篇文章给大家介绍KMeans算法原理及Spark实现是怎样的,内容非常详细,感兴趣的小伙伴们可以参考借鉴,希望对大家能有所帮助。

1. KMeans - 算法简介

K-Means算法是无监督的聚类算法,它实现起来比较简单,聚类效果也不错,因此应用很广泛,

  • K-means算法,也称为K-平均或者K-均值,一般作为掌握聚类算法的第一个算法。

  • 这里的K为常数,需事先设定,通俗地说该算法是将没有标注的 M 个样本通过迭代的方式聚集成K个簇。

  • 在对样本进行聚集的过程往往是以样本之间的距离作为指标来划分。

KMeans算法原理及Spark实现是怎样的 核心:K-means聚类算法是一种迭代求解的聚类分析算法,其步骤是随机选取K个对象作为初始的聚类中心,然后计算每个对象与各个种子聚类中心之间的距离,把每个对象分配给距离它最近的聚类中心。聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类。每分配一个样本,聚类的聚类中心会根据聚类中现有的对象被重新计算。这个过程将不断重复直到满足某个终止条件。终止条件可以是没有(或最小数目)对象被重新分配给不同的聚类,没有(或最小数目)聚类中心再发生变化,误差平方和局部最小

2.KMeans 算法流程

2.1 读取文件,准备数据,对数据进行预处理
2.2 随机找K个点,作为初始的中心点
2.3 遍历数据集,计算每一个点到3个中心的距离,距离那个中心点最近就属于哪个中心点
2.4 根据新的分类计算新的中心点
2.5 使用新的中心点开始下一次循环(继续循环步骤2.3)

退出循环的条件

1.指定循环次数

2.所有的中心点几乎不再移动(即中心点移动的距离总和小于我们给定的一个常熟,比如0.00001)

3. KMeans算法优缺点

K值的选择: k 值对最终结果的影响至关重要,而它却必须要预先给定。给定合适的 k 值,需要先验知识,凭空估计很困难,或者可能导致效果很差。

异常点的存在:K-means算法在迭代的过程中使用所有点的均值作为新的质点(中心点),如果簇中存在异常点,将导致均值偏差比较严重。 比如一个簇中有2、4、6、8、100五个数据,那么新的质点为24,显然这个质点离绝大多数点都比较远;在当前情况下,使用中位数6可能比使用均值的想法更好,使用中位数的聚类方式叫做K-Mediods聚类(K中值聚类)

初值敏感:K-means算法是初值敏感的,选择不同的初始值可能导致不同的簇划分规则。为了避免这种敏感性导致的最终结果异常性,可以采用初始化多套初始节点构造不同的分类规则,然后选择最优的构造规则。针对这点后面因此衍生了:二分K-Means算法、K-Means++算法、K-Means||算法、Canopy算法等

实现简单、移动、伸缩性良好等优点使得它成为聚类中最常用的算法之一。

4.KMeans算法Spark实现

4.1 数据下载和说明

链接:https://pan.baidu.com/s/1FmFxSrPIynO3udernLU0yQ提取码:hell 复制这段内容后打开百度网盘手机App,操作更方便哦

鸢尾花数据集,数据集包含3类共150调数据,每类含50个数据,每条记录含4个特征:花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度

过这4个 特征,将花聚类,假设将K取值为3,看看与实际结果的差别

4.2 实现

没有使用mlb库,而是使用scala原生实现

package com.hoult.work

import org.apache.commons.lang3.math.NumberUtils
import org.apache.spark.SparkContext
import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.sql.SparkSession

import scala.collection.mutable.ListBuffer
import scala.math.{pow, sqrt}
import scala.util.Random

object KmeansDemo {

  def main(args: Array[String]): Unit = {

    val spark = SparkSession
      .builder()
      .master("local[*]")
      .appName(this.getClass.getCanonicalName)
      .getOrCreate()

    val sc = spark.sparkContext
    val dataset = spark.read.textFile("data/lris.csv")
      .rdd.map(_.split(",").filter(NumberUtils.isNumber _).map(_.toDouble))
      .filter(!_.isEmpty).map(_.toSeq)


    val res: RDD[(Seq[Double], Int)] = train(dataset, 3)

    res.sample(false, 0.1, 1234L)
      .map(tp => (tp._1.mkString(","), tp._2))
      .foreach(println)
  }

  // 定义一个方法 传入的参数是 数据集、K、最大迭代次数、代价函数变化阈值
  // 其中 最大迭代次数和代价函数变化阈值是设定了默认值,可以根据需要做相应更改
  def train(data: RDD[Seq[Double]], k: Int, maxIter: Int = 40, tol: Double = 1e-4) = {

    val sc: SparkContext = data.sparkContext

    var i = 0 // 迭代次数
    var cost = 0D //初始的代价函数
    var convergence = false   //判断收敛,即代价函数变化小于阈值tol

    // step1 :随机选取 k个初始聚类中心
    var initk: Array[(Seq[Double], Int)] = data.takeSample(false, k, Random.nextLong()).zip(Range(0, k))

    var res: RDD[(Seq[Double], Int)] = null

    while (i < maxIter && !convergence) {

      val bcCenters = sc.broadcast(initk)

      val centers: Array[(Seq[Double], Int)] = bcCenters.value

      val clustered: RDD[(Int, (Double, Seq[Double], Int))] = data.mapPartitions(points => {

        val listBuffer = new ListBuffer[(Int, (Double, Seq[Double], Int))]()

        // 计算每个样本点到各个聚类中心的距离
        points.foreach { point =>

          // 计算聚类id以及最小距离平方和、样本点、1
          val cost: (Int, (Double, Seq[Double], Int)) = centers.map(ct => {

            ct._2 -> (getDistance(ct._1.toArray, point.toArray), point, 1)

          }).minBy(_._2._1)  // 将该样本归属到最近的聚类中心
          listBuffer.append(cost)
        }

        listBuffer.toIterator
      })
      //
      val mpartition: Array[(Int, (Double, Seq[Double]))] = clustered
        .reduceByKey((a, b) => {
          val cost = a._1 + b._1   //代价函数
          val count = a._3 + b._3   // 每个类的样本数累加
          val newCenters = a._2.zip(b._2).map(tp => tp._1 + tp._2)    // 新的聚类中心点集
          (cost, newCenters, count)
        })
        .map {
          case (clusterId, (costs, point, count)) =>
            clusterId -> (costs, point.map(_ / count))   // 新的聚类中心
        }
        .collect()
      val newCost = mpartition.map(_._2._1).sum   // 代价函数
      convergence =  math.abs(newCost - cost) <= tol    // 判断收敛,即代价函数变化是否小于小于阈值tol
      // 变换新的代价函数
      cost = newCost
      // 变换初始聚类中心
      initk = mpartition.map(tp => (tp._2._2, tp._1))
      // 聚类结果 返回样本点以及所属类的id
      res = clustered.map(tp=>(tp._2._2,tp._1))
      i += 1
    }
    // 返回聚类结果
    res
  }

  def getDistance(x:Array[Double],y:Array[Double]):Double={
    sqrt(x.zip(y).map(z=>pow(z._1-z._2,2)).sum)
  }


}

完整代码:https://github.com/hulichao/bigdata-spark/blob/master/src/main/scala/com/hoult/work/KmeansDemo.scala

结果截图: KMeans算法原理及Spark实现是怎样的

关于KMeans算法原理及Spark实现是怎样的就分享到这里了,希望以上内容可以对大家有一定的帮助,可以学到更多知识。如果觉得文章不错,可以把它分享出去让更多的人看到。

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