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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 36 0

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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