kmean算法C++实现
kmean均值算法是一种最常见的聚类算法。算法实现简单,效果也比较好。kmean算法把n个对象划分成指定的k个簇,每个簇中所有对象的均值的平均值为该簇的聚点(中心)。
k均值算法有如下五个步骤:
- 随机生成最初始k个簇心。可以从样本中随机选择,也可以根据样本中每个特征的取值特点随机生成。
- 对每个样本计算到每个簇心的欧式距离,将样本划分到欧氏距离最小的簇心(聚点)。
- 对划分到同一个簇心(聚点)的样本计算平均值,用均值更新簇心(聚点)
- 若某些簇心(聚点)发生变化,转到2;若所有的聚点都没有变化,转5
- 输出划分结果
#include <vector>
#include <cassert>
#include <iostream>
#include <cmath>
#include <fstream>
#include <climits>
#include <ctime>
#include <iomanip> using namespace std;
namespace terse {
class Kmeans {
private:
vector<vector<double>> m_dataSet;
int m_k;
vector<int> m_clusterResult; // result of cluster
vector<vector<double>> m_cluserCent; //center of k clusters private:
vector<string> split(const string& s, string pattern) {
vector<string> res;
size_t start = ;
size_t end = ;
while (start < s.size()) {
end = s.find_first_of(pattern, start);
if (end == string::npos) {
res.push_back(s.substr(start, end - start - ));
return res;
}
res.push_back(s.substr(start, end - start));
start = end + ;
}
return res;
} void loadDataSet(const char* fileName) {
ifstream dataFile(fileName);
if (!dataFile.is_open()) {
cerr << "open file " << fileName << "failed!\n";
return;
}
string tmpstr;
vector<double> data;
while (!dataFile.eof()) {
data.clear();
tmpstr.clear();
getline(dataFile, tmpstr);
vector<string> tmp = split(tmpstr, ",");
for (string str : tmp) {
data.push_back(stod(str));
}
this->m_dataSet.push_back(data);
}
dataFile.close();
} //compute Euclidean distance of two vector
double distEclud(vector<double>& v1, vector<double>& v2) {
assert(v1.size() == v2.size());
double dist = ;
for (size_t i = ; i < v1.size(); i++) {
dist += (v1[i] - v2[i]) * (v1[i] - v2[i]);
}
return sqrt(dist);
} void generateRandCent() {
int numOfFeats = this->m_dataSet[].size();
size_t numOfSamples = this->m_dataSet.size(); //first:min second:max
vector<pair<double, double>> minMaxOfFeat(numOfFeats);
for (int i = ; i < numOfFeats; i++) {
minMaxOfFeat[i].first = this->m_dataSet[][i];
minMaxOfFeat[i].second = this->m_dataSet[][i];
}
for (size_t i = ; i < numOfSamples; i++) {
for (int j = ; j < numOfFeats; j++) {
if (this->m_dataSet[i][j] > minMaxOfFeat[j].second) {
minMaxOfFeat[j].second = this->m_dataSet[i][j];
}
if (this->m_dataSet[i][j] < minMaxOfFeat[j].first) {
minMaxOfFeat[j].first = this->m_dataSet[i][j];
}
}
}
srand(time(NULL));
for (int i = ; i < this->m_k; i++) {
for (int j = ; j < numOfFeats; j++) {
this->m_cluserCent[i][j] = minMaxOfFeat[j].first
+ (minMaxOfFeat[j].second - minMaxOfFeat[j].first)
* (rand() / (double) RAND_MAX);
}
} } void printClusterCent(int iter) {
int m = this->m_cluserCent.size();
int n = this->m_cluserCent[].size();
cout << "iter = " << iter;
for (int i = ; i < m; i++) {
cout << " {";
for (int j = ; j < n; j++) {
cout << this->m_cluserCent[i][j] << ",";
}
cout << "};";
}
cout << endl;
} void writeResult(const char* fileName = "res.txt") {
ofstream fout(fileName);
if (!fout.is_open()) {
cerr << "open file " << fileName << "failed!";
return;
}
for (size_t i = ; i < this->m_dataSet.size(); i++) {
for (size_t j = ; j < this->m_dataSet[].size(); j++) {
fout << this->m_dataSet[i][j] << "\t";
}
fout << setprecision() << this->m_clusterResult[i] << "\n";
}
fout.close();
} public:
Kmeans(int k, const char* fileName) {
this->m_k = k;
this->loadDataSet(fileName);
this->m_clusterResult.reserve(this->m_dataSet.size());
this->m_cluserCent = vector<vector<double>>(k,
vector<double>(this->m_dataSet[].size()));
generateRandCent();
} Kmeans(int k, vector<vector<double>>& data) {
this->m_k = k;
this->m_dataSet = data;
this->m_clusterResult.reserve(this->m_dataSet.size());
this->m_cluserCent = vector<vector<double>>(k,
vector<double>(this->m_dataSet[].size()));
generateRandCent();
} //verbose = 1,printClusterCent();
void kmeansCluster(int verbose = ) {
int iter = ;
bool isClusterChanged = true;
while (isClusterChanged) {
isClusterChanged = false;
//step 1: find the nearest centroid of each point
int numOfFeats = this->m_dataSet[].size();
size_t numOfSamples = this->m_dataSet.size();
for (size_t i = ; i < numOfSamples; i++) {
int minIndex = -;
double minDist = INT_MAX;
for (int j = ; j < this->m_k; j++) {
double dist = distEclud(this->m_cluserCent[j],
m_dataSet[i]);
if (dist < minDist) {
minDist = dist;
minIndex = j;
}
}
if (m_clusterResult[i] != minIndex) {
isClusterChanged = true;
m_clusterResult[i] = minIndex;
}
} //step 2: update cluster center
vector<size_t> cnt(this->m_k, );
this->m_cluserCent = vector<vector<double>>(this->m_k,
vector<double>(numOfFeats, 0.0));
for (size_t i = ; i < numOfSamples; i++) {
for (int j = ; j < numOfFeats; j++) {
this->m_cluserCent[this->m_clusterResult[i]][j] +=
this->m_dataSet[i][j];
}
cnt[this->m_clusterResult[i]]++;
}
// mean of the vector belong to a cluster
for (int i = ; i < this->m_k; i++) {
for (int j = ; j < numOfFeats; j++) {
this->m_cluserCent[i][j] /= cnt[i];
}
}
if (verbose)
printClusterCent(iter++);
}
writeResult();
}
}; }; int main(){
terse::Kmeans kmeans(,"datafile.txt");
kmeans.kmeansCluster();
return ;
}
/*namespace terse*/
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