Stanford机器学习：K-means聚类算法详解

"Stanford机器学习课程讲解聚类算法，特别是K-means聚类算法，以及非监督学习的基本概念。" 在机器学习领域，聚类算法是一种重要的非监督学习技术，它主要用于发现数据集中的内在结构和模式，而无需预先知道数据的标签或类别。聚类的目标是将相似的数据点归为一类，形成不同的簇。K-means算法是聚类中最常用的算法之一，尤其适合处理大规模数据集。 K-means算法的工作流程如下： 1. 初始化：选择k个初始质心，通常是随机选取数据集中的k个点作为类别的代表。 2. 分配步骤（Cluster Assignment Step）：计算每个数据点与所有质心之间的距离（通常使用欧氏距离），并将数据点分配给最近的质心所在的簇。 3. 移动质心步骤（Move Centroid Step）：根据当前簇内的所有数据点重新计算质心，通常是计算簇内所有点的坐标均值。 4. 迭代：重复步骤2和3，直到质心的位置不再显著变化或达到预设的最大迭代次数，标志着算法收敛。 K-means算法的一个关键挑战在于选择合适的簇数k。过少的k可能导致数据的聚类不充分，过多的k则可能使簇过于细化，失去实际意义。此外，K-means算法对初始质心的选择敏感，不同的初始化可能会导致不同的聚类结果。解决这个问题的方法包括多次运行K-means并选择最优结果，或者使用更复杂的初始化策略如K-means++。 在实际应用中，K-means常用于市场细分、图像分割、文档分类等场景。例如，对于T-shirt尺寸分类问题，通过K-means可以找到身高体重数据的自然聚类，帮助确定L、M、S等不同尺寸的界限。 K-means的估值函数是平方误差和（Sum of Squared Errors, SSE），它是每个数据点到其所在簇质心距离平方的总和。优化这个函数意味着最小化簇内的变异性，最大化簇间的差异性，从而达到良好的聚类效果。 然而，K-means有一些局限性，如对异常值敏感，不适用于非凸形状的簇，以及对数据分布的假设（如各簇为球形）。为克服这些限制，研究者发展出了多种改进版的聚类算法，如DBSCAN、谱聚类、层次聚类等，它们在处理复杂数据结构时可能更为有效。 K-means聚类算法是理解和实践非监督学习的重要工具，尽管它有其局限性，但在很多实际问题中仍能提供有价值的洞察和解决方案。通过深入理解K-means的工作原理和适用场景，我们可以更好地利用无标签数据，挖掘数据中的潜在价值。