聚类层次【python，机器学习，算法】

层次聚类算法（Hierarchical Clustering Algorithm）是一种常用的无监督学习算法，用于将数据集划分成多个不同层次的簇。与K均值聚类不同，层次聚类不需要预先指定聚类数量，而是通过计算样本之间的相似度或距离来构建一个层次结构。

聚集层次算法有两种方式：

1. 自下而上的合并(Agglomerate),其主要步骤如下：

   • 将每个数据点视为单个群集。因此，开始时我们将拥有 n 个群集。开始时，数据点的数量也将为 n。
   • 计算 n 个集群之间的距离，计算距离的方法通常有以下几种：
     1. 对于两个集群，取集群之间距离最近的两个样本点作为集群的距离。
     2. 对于两个集群，取集群之间距离最远的两个样本点作为集群的距离。
     3. 对于两个集群，分别计算两个集群内样本点的平均距离，然后计算这两个平均距离之间的距离。
   • 找出距离最近的两个集群，进行合并。
   • 通过以上三步，可以将样本点聚集想要的 K 个集群。
     下面是一个该算法的 Python 实现：

   import matplotlib.pyplot as plt
   import numpy as np
   
   # 设置了随机数种子，让随机数生成变得可重复，即在设置过后，每次运行代码得到的随机数都是一样的。
   np.random.seed(0)
   
   cluster1 = np.random.randn(30, 2) + np.array([0, 7])
   cluster2 = np.random.randn(30, 2) + np.array([8, 0])
   cluster3 = np.random.randn(30, 2) + np.array([8, 8])
   # 用于沿着垂直方向（行方向）堆叠数组，得到一个总的数据集
   data = np.vstack([cluster1, cluster2, cluster3])
   
   
   # 1. 初始化每个数据点为一个独立的簇
   def initialize_clusters(data):
       return [[point] for point in data]
   
   
   # 2. 计算簇中心之间的距离
   def compute_distances(clusters):
       distances = np.zeros((len(clusters), len(clusters)))
       for i in range(len(clusters)):
           for j in range(len(clusters)):
               if i != j:
                   # 使用欧式距离计算两个簇的距离
                   distances[i][j] = np.sqrt(sum((np.mean(clusters[i],
                                                          axis=0) - np.mean(
                       clusters[j], axis=0)) ** 2))
       return distances
   
   
   # 找距离最近的两个簇
   def find_closest_clusters(distances):
       min_distance = np.inf
       # 用于保存最近两个簇对应的索引
       closest_clusters = None
       for i in range(len(distances)):
           for j in range(len(distances)):
               if i != j and distances[i][j] < min_distance:
                   min_distance = distances[i][j]
                   closest_clusters = i, j
       return closest_clusters
   
   
   # 3. 合并最近的两个簇为一个新的簇，并更新簇中心点
   def merge_clusters(clusters, closest_clusters):
       i, j = closest_clusters
       merged_cluster = clusters[i] + clusters[j]  # 将最近的两个簇更新为一个簇
       new_clusters = [cluster for idx, cluster in enumerate(clusters) if
                       idx not in (i, j)]
       # 这里将没有合并的簇放进新的簇列表里面
       new_clusters.append(merged_cluster)
       return new_clusters
   
   
   def hierarchical_clustering(data, k):
       # 初始化每个数据点为一个独立的簇
       clusters = initialize_clusters(data)
   
       # 开始迭代合并最相似的簇
       while len(clusters) > k:
           # 计算簇中心之间的距离，并找到最近的两个簇
           distances = compute_distances(clusters)
           closest_clusters = find_closest_clusters(distances)
   
           # 合并最近的两个簇为一个新的簇，并更新簇中心点
           clusters = merge_clusters(clusters, closest_clusters)
   
       return clusters
   
   
   # 执行层次聚类算法
   k = 4
   clusters = hierarchical_clustering(data, k)
   
   # 打印聚类结果
   for idx, cluster in enumerate(clusters):
       print(f"Cluster {idx + 1}: ", cluster)
   
   # 绘制聚类结果的图表
   plt.figure(figsize=(8, 6))
   colors = ["red", "green", "blue", "yellow"]
   
   for i in range(k):
       for p in clusters[i]:
           plt.scatter(x=p[0], y=p[1], color=colors[i])
   
   plt.xlabel("X")
   plt.ylabel("Y")
   plt.title("Hierarchical Clustering")
   plt.show()
   

2. 自上而下的分解(Divisive)。