聚类算法(part1)--DBSCAN

学习笔记，仅供参考，有错必纠

参考书目：《数据挖掘导论》；《R语言实战》；《应用预测建模》;《R语言与数据挖掘》；等

聚类

密度聚类

基于密度的聚类寻找被低密度区域分离的高密度区域。DBSCAN是一种简单、有效的基于密度的聚类算法，它解释了基于密度的聚类方法的许多重要概念。

基于中心的方法

在基于中心的方法中，数据集中特定点的密度通过对该点半径之内的点计数(包括点本身)来估计。如下图所示，点A的半径内点个数为7，且包括A本身：

该方法实现简单，但是点的密度取决于指定的半径，例如，如果半径足够大，则所有点的密度都等于数据集中的点数m，同理，如果半径太小，则所有点的密度都是1。

根据基于中心的密度进行点分类

密度的基于中心的方法使得我们可以将点分类为(1)稠密区域内部的点(核心点)，(2)稠密区域边缘上的点(边界点)，(3)稀疏区域中的点(噪声或背景点)。下图展示了核心点、边界点和噪声点的概念：

• 核心点：这些点在基于密度的簇内部。点的邻域由距离函数和用户指定的距离参数决定，核心点的定义是，如果该点的给定邻域内的点的个数超过给定的阈值
  ，则该点为核心点，其中也是一个用户指定的参数。上图中，点A是核心点。
• 边界点：边界点不是核心点，但它落在某个核心点的邻域内。上图中，点B是边界点。边界点可能落在多个核心点的邻域内。
• 噪声点：噪声点是既非核心点也非边界点的任何点。上图中，点C是噪声点。

DBSCAN算法

给定核心点、边界点和噪声点的定义，DBSCAN算法可以非正式地描述如下，任意两个足
够靠近(相互之间的距离在Eps之内)的核心点将放在同一个簇中。同样，任何与核心点足够靠近的边界点也放到与核心点相同的簇中中，如果一个边界点靠近不同簇的核心点，则可能需要解决平局问题。噪声点被丢弃。下面是实现步骤：

1. 将所有点标记为核心点、边界点或噪声点；
2. 删除噪声点；
3. 为距离在Eps之内的所有核心点之间赋予一条边；
4. 每组连通的核心点形成一个簇；
5. 将每个边界点指派到一个与之关联的核心点的簇中。

时间复杂性和空间复杂性

DBSCAN的基本时间复杂度是(m*找出Eps邻域中的点所需要的时间)，其中m是点的个数。在最坏的情况下，时间复杂度是.然而，在低维空间，有一些数据结构，比如kd树，可以有效地检索特定点给定距离内的所有点，时间复杂度将降至。

即使对于高维数据，DBSCAN的空间复杂度依然是，因为对每个点，它只需要维持少量数据，即簇标号和每个点是核心点、边界点还是噪声点的标识。

选择DBSCAN的参数

当然，还有如何确定Eps和MinPts的问题。基本方法是观察点到它的k个最近邻的距离(称为k-距离)的特性。对于属于某个簇的点，如果k不大于簇的大小的话，则​​k-距离​​将很小(理解：因为在同一个族内)。

注意，尽管因簇的密度和点的随机分布不同而有一些变化，但是如果簇密度的差异不是很极端的话，在平均情况下变化不会太大，然而，对于不在簇中的点(如噪声点)，​​k-距离​​​将相对较大。因此，如果我们对于某个k，计算所有点的​​k-路离​​​，以递增次序将它们排序，然后绘制排序后的值，则我们会看到​​k-距离​​​的急剧变化，对应于合适的Eps值。如果我们选取该距离为Eps参数，而取k的值为MinPts参数，则​​k-距离​​小Eps的点将被标记为核心点，而其他点将被标记为噪声或边界点。

如果k的值太小，则少量邻近点的噪声或离群点将可能不正确地标一记为簇。如果k的值太大，则小簇(尺寸小于k的簇)可能会标记为噪声。

R语言实践

相关函数：

library(fpc)
db = dbscan(data, eps, MinPts)
plotcluster(data, db$cluster)