Метод k-средних

Метод k-средних (англ. k-means) — наиболее популярный метод кластеризации. Был изобретён в 1950-х годах математиком Гуго Штейнгаузом и почти одновременно Стюартом Ллойдом. Особую популярность приобрёл после работы Маккуина.

Действие алгоритма таково, что он стремится минимизировать суммарное квадратичное отклонение точек кластеров от центров этих кластеров:

$V=\sum _{i=1}^{k}\sum _{x\in S_{i}}(x-\mu _{i})^{2}$

где $k$ — число кластеров, $S_{i}$ — полученные кластеры, $i=1,2,\dots ,k$, а $\mu _{i}$ — центры масс всех векторов $x$ из кластера $S_{i}$.

По аналогии с методом главных компонент центры кластеров называются также главными точками, а сам метод называется методом главных точек и включается в общую теорию главных объектов, обеспечивающих наилучшую аппроксимацию данных.

Алгоритм

Алгоритм представляет собой версию EM-алгоритма, применяемого также для разделения смеси гауссиан. Он разбивает множество элементов векторного пространства на заранее известное число кластеров k.

Основная идея заключается в том, что на каждой итерации перевычисляется центр масс для каждого кластера, полученного на предыдущем шаге, затем векторы разбиваются на кластеры вновь в соответствии с тем, какой из новых центров оказался ближе по выбранной метрике.

Алгоритм завершается, когда на какой-то итерации не происходит изменения внутрикластерного расстояния. Это происходит за конечное число итераций, так как количество возможных разбиений конечного множества конечно, а на каждом шаге суммарное квадратичное отклонение V уменьшается, поэтому зацикливание невозможно.

Как показали Дэвид Артур и Сергей Васильвицкий, на некоторых классах множеств сложность алгоритма по времени, нужному для сходимости, равна $2^{\Omega ({\sqrt {n}})}$.

Демонстрация алгоритма

Действие алгоритма в двумерном случае. Начальные точки выбраны случайно.

Исходные точки и случайно выбранные начальные центры.	Точки, отнесённые к начальным центрам. Разбиение на плоскости — диаграмма Вороного относительно начальных центров.	Вычисление новых центров кластеров (Ищется центр масс).	Предыдущие шаги, за исключением первого, повторяются, пока алгоритм не сойдётся.

Проблемы k-means

Типичный пример сходимости метода k средних к локальному минимуму. В этом примере результат «кластеризации» методом k средних противоречит очевидной кластерной структуре множества данных. Маленькими кружками обозначены точки данных, четырёхлучевые звезды — центроиды. Принадлежащие им точки данных окрашены в тот же цвет. Иллюстрация подготовлена с помощью апплета Миркеса.

Результат кластеризации методом k-средних для ирисов Фишера и реальные виды ирисов, визуализированные с помощью ELKI. Центры кластеров отмечены с помощью крупных, полупрозрачных маркеров.

• Не гарантируется достижение глобального минимума суммарного квадратичного отклонения V, а только одного из локальных минимумов.
• Результат зависит от выбора исходных центров кластеров, их оптимальный выбор неизвестен.
• Число кластеров надо знать заранее.

Расширения и вариации

Широко известна и используется нейросетевая реализация K-means — сети векторного квантования сигналов (одна из версий нейронных сетей Кохонена).

Существует расширение k-means++, которое направлено на оптимальный выбор начальных значений центров кластеров.

Применение для задач глубокого обучения и машинного зрения

В алгоритмах глубокого обучения метод k-средних иногда применяют не по прямому назначению (классификация разбивкой на кластеры), а для создания так называемых фильтров (ядер свёртки, словарей). Например, для распознавания изображений в алгоритм k-средних подают небольшие случайные кусочки изображений обучающей выборки, допустим, размером 16х16 в виде линейного вектора, каждый элемент которого кодирует яркость своей точки. Количество кластеров k задается большим, например 256. Обученный метод k-средних при определенных условиях вырабатывает при этом центры кластеров (центроиды), которые представляют собой удобные базисы, на которые можно разложить любое входное изображение. Такие "обученные" центроиды в дальнейшем используют в качестве фильтров, например для свёрточной нейронной сети в качестве ядер свёртки или других аналогичных систем машинного зрения. Таким образом осуществляется обучение без учителя при помощи метода k-средних.

Демонстрация и визуализация

• Дж. Ту, Р. Гонсалес «Принципы распознавания образов», Издательство «Мир», Москва 1978, стр. 109—112 (описание алгоритма с численным примером).
• K-means and K-medoids (апплет, демонстрирующий работу алгоритма и позволяющий исследовать и сравнивать два метода), Е. Миркес и University of Leicester
• Интерактивный апплет, демонстрирующий работу алгоритма