Метрики агломеративного кластерирования

Введение

Агломеративная кластеризация - это метод иерархической кластеризации, используемый для объединения похожих объектов в группы. Она начинается с каждого объекта в качестве собственного кластера, а затем итеративно объединяет наиболее похожие кластеры до тех пор, пока не будет достигнут критерий остановки. В этом лабораторном занятии мы покажем влияние различных метрик на иерархическую кластеризацию с использованием алгоритма агломеративной кластеризации.

Советы по работе с ВМ

После запуска ВМ нажмите в левом верхнем углу, чтобы переключиться на вкладку Notebook и получить доступ к Jupyter Notebook для практики.

Иногда вам может потребоваться подождать несколько секунд, пока Jupyter Notebook не загрузится полностью. Валидация операций не может быть автоматизирована из-за ограничений Jupyter Notebook.

Если вы сталкиваетесь с проблемами во время обучения, не стесняйтесь обращаться к Labby. Оставьте отзыв после занятия, и мы оперативно решим проблему для вас.

Импортируем библиотеки и генерируем данные в виде сигналов

Сначала мы импортируем необходимые библиотеки и генерируем данные в виде сигналов, которые будут использоваться в этом лабораторном занятии.

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patheffects as PathEffects
import numpy as np
from sklearn.cluster import AgglomerativeClustering
from sklearn.metrics import pairwise_distances

np.random.seed(0)

## Generate waveform data
n_features = 2000
t = np.pi * np.linspace(0, 1, n_features)

def sqr(x):
    return np.sign(np.cos(x))

X = list()
y = list()
for i, (phi, a) in enumerate([(0.5, 0.15), (0.5, 0.6), (0.3, 0.2)]):
    for _ in range(30):
        phase_noise = 0.01 * np.random.normal()
        amplitude_noise = 0.04 * np.random.normal()
        additional_noise = 1 - 2 * np.random.rand(n_features)
        ## Make the noise sparse
        additional_noise[np.abs(additional_noise) < 0.997] = 0

        X.append(
            12
            * (
                (a + amplitude_noise) * (sqr(6 * (t + phi + phase_noise)))
                + additional_noise
            )
        )
        y.append(i)

X = np.array(X)
y = np.array(y)

Построим истинную разметку

Мы построим истинную разметку для данных в виде сигналов.

n_clusters = 3

labels = ("Waveform 1", "Waveform 2", "Waveform 3")

colors = ["#f7bd01", "#377eb8", "#f781bf"]

## Plot the ground-truth labelling
plt.figure()
plt.axes([0, 0, 1, 1])
for l, color, n in zip(range(n_clusters), colors, labels):
    lines = plt.plot(X[y == l].T, c=color, alpha=0.5)
    lines[0].set_label(n)

plt.legend(loc="best")

plt.axis("tight")
plt.axis("off")
plt.suptitle("Ground truth", size=20, y=1)

Построим расстояния

Мы построим межклассовые расстояния для различных метрик.

for index, metric in enumerate(["cosine", "euclidean", "cityblock"]):
    avg_dist = np.zeros((n_clusters, n_clusters))
    plt.figure(figsize=(5, 4.5))
    for i in range(n_clusters):
        for j in range(n_clusters):
            avg_dist[i, j] = pairwise_distances(
                X[y == i], X[y == j], metric=metric
            ).mean()
    avg_dist /= avg_dist.max()
    for i in range(n_clusters):
        for j in range(n_clusters):
            t = plt.text(
                i,
                j,
                "%5.3f" % avg_dist[i, j],
                verticalalignment="center",
                horizontalalignment="center",
            )
            t.set_path_effects(
                [PathEffects.withStroke(linewidth=5, foreground="w", alpha=0.5)]
            )

    plt.imshow(avg_dist, interpolation="nearest", cmap="cividis", vmin=0)
    plt.xticks(range(n_clusters), labels, rotation=45)
    plt.yticks(range(n_clusters), labels)
    plt.colorbar()
    plt.suptitle("Interclass %s distances" % metric, size=18, y=1)
    plt.tight_layout()

Построим результаты кластеризации

Мы построим результаты кластеризации для различных метрик.

for index, metric in enumerate(["cosine", "euclidean", "cityblock"]):
    model = AgglomerativeClustering(
        n_clusters=n_clusters, linkage="average", metric=metric
    )
    model.fit(X)
    plt.figure()
    plt.axes([0, 0, 1, 1])
    for l, color in zip(np.arange(model.n_clusters), colors):
        plt.plot(X[model.labels_ == l].T, c=color, alpha=0.5)
    plt.axis("tight")
    plt.axis("off")
    plt.suptitle("AgglomerativeClustering(metric=%s)" % metric, size=20, y=1)

Обзор

В этом лабораторном занятии мы продемонстрировали влияние различных метрик на иерархическое кластерирование с использованием алгоритма агломеративного кластерирования. Мы сгенерировали данные в виде сигналов и построили истинную разметку, межклассовые расстояния и результаты кластеризации для различных метрик. Мы наблюдали, что результаты кластеризации различались в зависимости от выбора метрики, и что расстояние "городской街区" (cityblock) показало наилучшие результаты при разделении сигналов.