Est-il possible de spécifier votre propre fonction de distance en utilisant la classification K-Means de Scikit-learn ?

Question

Est-il possible de spécifier votre propre fonction de distance en utilisant la classification K-Means de Scikit-learn ?

Answer 1

Voici un petit kmeans qui utilise n'importe quelle distance parmi la vingtaine de distances dans scipy.spatial.distance ou une fonction utilisateur.
Les commentaires sont les bienvenus (il n'y a eu qu'un seul utilisateur jusqu'à présent, ce qui n'est pas suffisant) ; En particulier, quels sont vos N, dim, k, métriques ?

#!/usr/bin/env python
# kmeans.py using any of the 20-odd metrics in scipy.spatial.distance
# kmeanssample 2 pass, first sample sqrt(N)

from __future__ import division
import random
import numpy as np
from scipy.spatial.distance import cdist  # $scipy/spatial/distance.py
    # http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/spatial.html
from scipy.sparse import issparse  # $scipy/sparse/csr.py

__date__ = "2011-11-17 Nov denis"
    # X sparse, any cdist metric: real app ?
    # centres get dense rapidly, metrics in high dim hit distance whiteout
    # vs unsupervised / semi-supervised svm

#...............................................................................
def kmeans( X, centres, delta=.001, maxiter=10, metric="euclidean", p=2, verbose=1 ):
    """ centres, Xtocentre, distances = kmeans( X, initial centres ... )
    in:
        X N x dim  may be sparse
        centres k x dim: initial centres, e.g. random.sample( X, k )
        delta: relative error, iterate until the average distance to centres
            is within delta of the previous average distance
        maxiter
        metric: any of the 20-odd in scipy.spatial.distance
            "chebyshev" = max, "cityblock" = L1, "minkowski" with p=
            or a function( Xvec, centrevec ), e.g. Lqmetric below
        p: for minkowski metric -- local mod cdist for 0 < p < 1 too
        verbose: 0 silent, 2 prints running distances
    out:
        centres, k x dim
        Xtocentre: each X -> its nearest centre, ints N -> k
        distances, N
    see also: kmeanssample below, class Kmeans below.
    """
    if not issparse(X):
        X = np.asanyarray(X)  # ?
    centres = centres.todense() if issparse(centres) \
        else centres.copy()
    N, dim = X.shape
    k, cdim = centres.shape
    if dim != cdim:
        raise ValueError( "kmeans: X %s and centres %s must have the same number of columns" % (
            X.shape, centres.shape ))
    if verbose:
        print "kmeans: X %s  centres %s  delta=%.2g  maxiter=%d  metric=%s" % (
            X.shape, centres.shape, delta, maxiter, metric)
    allx = np.arange(N)
    prevdist = 0
    for jiter in range( 1, maxiter+1 ):
        D = cdist_sparse( X, centres, metric=metric, p=p )  # |X| x |centres|
        xtoc = D.argmin(axis=1)  # X -> nearest centre
        distances = D[allx,xtoc]
        avdist = distances.mean()  # median ?
        if verbose >= 2:
            print "kmeans: av |X - nearest centre| = %.4g" % avdist
        if (1 - delta) * prevdist <= avdist <= prevdist \
        or jiter == maxiter:
            break
        prevdist = avdist
        for jc in range(k):  # (1 pass in C)
            c = np.where( xtoc == jc )[0]
            if len(c) > 0:
                centres[jc] = X[c].mean( axis=0 )
    if verbose:
        print "kmeans: %d iterations  cluster sizes:" % jiter, np.bincount(xtoc)
    if verbose >= 2:
        r50 = np.zeros(k)
        r90 = np.zeros(k)
        for j in range(k):
            dist = distances[ xtoc == j ]
            if len(dist) > 0:
                r50[j], r90[j] = np.percentile( dist, (50, 90) )
        print "kmeans: cluster 50 % radius", r50.astype(int)
        print "kmeans: cluster 90 % radius", r90.astype(int)
            # scale L1 / dim, L2 / sqrt(dim) ?
    return centres, xtoc, distances

#...............................................................................
def kmeanssample( X, k, nsample=0, **kwargs ):
    """ 2-pass kmeans, fast for large N:
        1) kmeans a random sample of nsample ~ sqrt(N) from X
        2) full kmeans, starting from those centres
    """
        # merge w kmeans ? mttiw
        # v large N: sample N^1/2, N^1/2 of that
        # seed like sklearn ?
    N, dim = X.shape
    if nsample == 0:
        nsample = max( 2*np.sqrt(N), 10*k )
    Xsample = randomsample( X, int(nsample) )
    pass1centres = randomsample( X, int(k) )
    samplecentres = kmeans( Xsample, pass1centres, **kwargs )[0]
    return kmeans( X, samplecentres, **kwargs )

def cdist_sparse( X, Y, **kwargs ):
    """ -> |X| x |Y| cdist array, any cdist metric
        X or Y may be sparse -- best csr
    """
        # todense row at a time, v slow if both v sparse
    sxy = 2*issparse(X) + issparse(Y)
    if sxy == 0:
        return cdist( X, Y, **kwargs )
    d = np.empty( (X.shape[0], Y.shape[0]), np.float64 )
    if sxy == 2:
        for j, x in enumerate(X):
            d[j] = cdist( x.todense(), Y, **kwargs ) [0]
    elif sxy == 1:
        for k, y in enumerate(Y):
            d[:,k] = cdist( X, y.todense(), **kwargs ) [0]
    else:
        for j, x in enumerate(X):
            for k, y in enumerate(Y):
                d[j,k] = cdist( x.todense(), y.todense(), **kwargs ) [0]
    return d

def randomsample( X, n ):
    """ random.sample of the rows of X
        X may be sparse -- best csr
    """
    sampleix = random.sample( xrange( X.shape[0] ), int(n) )
    return X[sampleix]

def nearestcentres( X, centres, metric="euclidean", p=2 ):
    """ each X -> nearest centre, any metric
            euclidean2 (~ withinss) is more sensitive to outliers,
            cityblock (manhattan, L1) less sensitive
    """
    D = cdist( X, centres, metric=metric, p=p )  # |X| x |centres|
    return D.argmin(axis=1)

def Lqmetric( x, y=None, q=.5 ):
    # yes a metric, may increase weight of near matches; see ...
    return (np.abs(x - y) ** q) .mean() if y is not None \
        else (np.abs(x) ** q) .mean()

#...............................................................................
class Kmeans:
    """ km = Kmeans( X, k= or centres=, ... )
        in: either initial centres= for kmeans
            or k= [nsample=] for kmeanssample
        out: km.centres, km.Xtocentre, km.distances
        iterator:
            for jcentre, J in km:
                clustercentre = centres[jcentre]
                J indexes e.g. X[J], classes[J]
    """
    def __init__( self, X, k=0, centres=None, nsample=0, **kwargs ):
        self.X = X
        if centres is None:
            self.centres, self.Xtocentre, self.distances = kmeanssample(
                X, k=k, nsample=nsample, **kwargs )
        else:
            self.centres, self.Xtocentre, self.distances = kmeans(
                X, centres, **kwargs )

    def __iter__(self):
        for jc in range(len(self.centres)):
            yield jc, (self.Xtocentre == jc)

#...............................................................................
if __name__ == "__main__":
    import random
    import sys
    from time import time

    N = 10000
    dim = 10
    ncluster = 10
    kmsample = 100  # 0: random centres, > 0: kmeanssample
    kmdelta = .001
    kmiter = 10
    metric = "cityblock"  # "chebyshev" = max, "cityblock" L1,  Lqmetric
    seed = 1

    exec( "\n".join( sys.argv[1:] ))  # run this.py N= ...
    np.set_printoptions( 1, threshold=200, edgeitems=5, suppress=True )
    np.random.seed(seed)
    random.seed(seed)

    print "N %d  dim %d  ncluster %d  kmsample %d  metric %s" % (
        N, dim, ncluster, kmsample, metric)
    X = np.random.exponential( size=(N,dim) )
        # cf scikits-learn datasets/
    t0 = time()
    if kmsample > 0:
        centres, xtoc, dist = kmeanssample( X, ncluster, nsample=kmsample,
            delta=kmdelta, maxiter=kmiter, metric=metric, verbose=2 )
    else:
        randomcentres = randomsample( X, ncluster )
        centres, xtoc, dist = kmeans( X, randomcentres,
            delta=kmdelta, maxiter=kmiter, metric=metric, verbose=2 )
    print "%.0f msec" % ((time() - t0) * 1000)

    # also ~/py/np/kmeans/test-kmeans.py

Quelques notes ajoutées le 26 mars 2012 :

1) pour la distance cosinus, il faut d'abord normaliser tous les vecteurs de données à |X| = 1 ; puis

cosinedistance( X, Y ) = 1 - X . Y = Euclidean distance |X - Y|^2 / 2

est rapide. Pour les vecteurs de bits, gardez les normes séparément des vecteurs au lieu de les étendre aux flottants (bien que certains programmes puissent faire l'expansion pour vous). Pour les vecteurs épars, disons 1 % de N, X . Y devrait prendre un temps O( 2 % N ), espace O(N) ; mais je ne sais pas quels programmes font cela.

2) Scikit-learn clustering donne une excellente vue d'ensemble des k-means, mini-batch-k-means ... avec du code qui fonctionne sur les matrices scipy.sparse.

3) Vérifiez toujours la taille des clusters après le k-means. Si vous vous attendez à des clusters de taille à peu près égale, mais qu'ils sont en réalité [44 37 9 5 5] % ... (bruit de grincement de tête).

Answer 2

Malheureusement non : l'implémentation actuelle de scikit-learn de k-means n'utilise que les distances euclidiennes.

Il n'est pas trivial d'étendre les k-means à d'autres distances et la réponse de Denis ci-dessus n'est pas la manière correcte d'implémenter les k-means pour d'autres métriques.

Answer 3

Il suffit d'utiliser nltk à la place où vous pouvez faire cela, par ex.

from nltk.cluster.kmeans import KMeansClusterer
NUM_CLUSTERS = <choose a value>
data = <sparse matrix that you would normally give to scikit>.toarray()

kclusterer = KMeansClusterer(NUM_CLUSTERS, distance=nltk.cluster.util.cosine_distance, repeats=25)
assigned_clusters = kclusterer.cluster(data, assign_clusters=True)

Answer 4

Oui, vous pouvez utiliser une fonction métrique de différence ; cependant, par définition, l'algorithme de clustering k-means repose sur la distance eucldiean de la moyenne de chaque cluster.

Vous pouvez utiliser une métrique différente. Ainsi, même si vous calculez toujours la moyenne, vous pouvez utiliser quelque chose comme la distance mahalnobis.

Answer 5

Il y a pyclustering qui est en python/C++ (donc rapide !) et vous permet de spécifier une fonction métrique personnalisée.

from pyclustering.cluster.kmeans import kmeans
from pyclustering.utils.metric import type_metric, distance_metric

user_function = lambda point1, point2: point1[0] + point2[0] + 2
metric = distance_metric(type_metric.USER_DEFINED, func=user_function)

# create K-Means algorithm with specific distance metric
start_centers = [[4.7, 5.9], [5.7, 6.5]];
kmeans_instance = kmeans(sample, start_centers, metric=metric)

# run cluster analysis and obtain results
kmeans_instance.process()
clusters = kmeans_instance.get_clusters()

En fait, je n'ai pas testé ce code, mais je l'ai bricolé à partir des éléments suivants un billet y exemple de code .