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KMeans算法C++实现:一种聚类分析的方法
2023-10-09 02:10:03 深夜i     --     --
KMeans算法 C++实现 聚类分析 方法 聚类

聚类分析是一种将一组对象划分为具有相似特征的组的方法。K均值聚类算法是聚类分析中最常用的算法之一。它的原理是将对象划分为K个组,使得每个对象都属于离它最近的组。

在C++编程语言中,我们可以使用KMeans算法来实现聚类分析。下面我们将介绍如何使用C++实现KMeans算法。

首先,我们需要定义一个KMeans类来实现算法。这个类的主要任务是根据给定的数据集和聚类数量,将对象划分为不同的组。下面是KMeans类的定义:


class KMeans {

private:

  int k; // 聚类数量

  int max_iters; // 最大迭代次数

public:

  KMeans(int k, int max_iters); // 构造函数

  vector<int> cluster(vector<vector<double>> data); // 聚类函数

};

在构造函数中,我们需要传入聚类数量和最大迭代次数。

接下来,我们需要实现KMeans类的构造函数和聚类函数。构造函数的代码如下:


KMeans::KMeans(int k, int max_iters)

  this->k = k;

  this->max_iters = max_iters;

聚类函数的代码如下:


vector<int> KMeans::cluster(vector<vector<double>> data) {

  int num_objects = data.size(); // 数据集大小

  int num_features = data[0].size(); // 数据特征数量

  

  // 初始化质心

  vector<vector<double>> centroids(k, vector<double>(num_features));

  // 随机选择k个对象作为初始质心

  for (int i = 0; i < k; ++i) {

    int random_index = rand() % num_objects;

    centroids[i] = data[random_index];

  }

  vector<int> labels(num_objects); // 对象的标签

  vector<bool> is_changed(num_objects, true); // 记录每个对象是否改变了标签

  

  int num_iters = 0;

  while (num_iters < max_iters) {

    // 将每个对象分配到离它最近的质心

    for (int i = 0; i < num_objects; ++i) {

      double min_distance = numeric_limits<double>::max();

      int min_centroid = -1;

      for (int j = 0; j < k; ++j) {

        double distance = calculate_distance(data[i], centroids[j]);

        if (distance < min_distance)

          min_distance = distance;

          min_centroid = j;

        

      }

      if (labels[i] != min_centroid) {

        labels[i] = min_centroid;

        is_changed[i] = true;

      } else {

        is_changed[i] = false;

      }

    }

    

    // 更新质心

    for (int j = 0; j < k; ++j) {

      vector<double> sum(num_features);

      int count = 0;

      for (int i = 0; i < num_objects; ++i) {

        if (labels[i] == j) {

          for (int f = 0; f < num_features; ++f) {

            sum[f] += data[i][f];

          }

          count++;

        }

      }

      if (count > 0) {

        for (int f = 0; f < num_features; ++f) {

          centroids[j][f] = sum[f] / count;

        }

      }

    }

    

    // 检查是否达到收敛条件

    bool is_converged = true;

    for (int i = 0; i < num_objects; ++i) {

      if (is_changed[i])

        is_converged = false;

        break;

      

    }

    

    if (is_converged)

      break;

    

    

    num_iters++;

  }

  

  return labels;

}

在聚类函数中,我们首先随机选择K个对象作为初始质心。然后,我们通过迭代的方式将每个对象分配到离它最近的质心,并更新质心。在每次迭代中,我们检查对象的标签是否改变,如果没有改变,说明已经达到了收敛条件,循环结束。

最后,我们在主函数中使用KMeans类来进行聚类分析。首先,我们需要定义一个数据集,然后创建KMeans对象,并调用聚类函数来获取对象的标签。具体代码如下:


int main() {

  // 定义数据集

  vector<vector<double>> data = { 2.0, 2.0, 2.0, 4.0, 4.0, 6.0};

  

  int k = 2; // 聚类数量

  int max_iters = 10; // 最大迭代次数

  

  // 创建KMeans对象并进行聚类分析

  KMeans kmeans(k, max_iters);

  vector<int> labels = kmeans.cluster(data);

  

  // 输出聚类结果

  for (int i = 0; i < data.size(); ++i) {

    cout << "Object " << i << ": Cluster " << labels[i] << endl;

  }

  

  return 0;

}

这个例子中,我们将数据集划分为两个组,并将对象的标签输出到控制台。结果可能如下:


Object 0: Cluster 0

Object 1: Cluster 0

Object 2: Cluster 0

Object 3: Cluster 1

Object 4: Cluster 1

Object 5: Cluster 1

通过以上步骤,我们成功地使用C++实现了KMeans算法,实现了一种聚类分析的方法。通过聚类分析,我们可以将对象划分为具有相似特征的组,从而更好地理解数据。

  
  

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