Python使用Numpy实现Kmeans算法的步骤详解

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import math
 
k = eval(input("请输入想要划分的类别个数")) #规定类别数
n = eval(input("请输入要循环的次数"))#规定循环次数
sw = eval(input("请输入想要查询的元素在数据中的位置"))
 
def readdata():#获取data数据中坐标值
    data = np.loadtxt("E:\\Python\\Lab4\\Lab4.dat")#读取dat数据
    x_data = data[:,0]#横坐标
    y_data = data[:,1]#纵坐标
    return data,x_data,y_data
 
def init(k):#初始化生成k个随机类别中心
    data,x_data,y_data = readdata()
    class_center = []
    for i in range(k):
        #在数据的最大值与最小值间给出随机值
        x = np.random.randint(np.min(x_data),np.max(x_data))
        y = np.random.randint(np.min(y_data),np.max(y_data))
        class_center.append(np.array([x,y]))#以数组方式添加，方便后面计算距离
    return class_center
 
def dist(a,b):#计算两个坐标间的欧氏距离
    dist = math.sqrt(math.pow((a[0] - b[0]),2) + math.pow((a[1] - b[1]),2))
    return dist
 
def dist_rank(center,data):#得到与类中心最小距离的类别位置索引
    tem = []
    for m in range(k):
        d = dist(data, center[m])
        tem.append(d)
    loc = tem.index(min(tem))
    return loc
 
def means(arr):#计算类的平均值当作类的新中心
    sum_x,sum_y =0,0
    for n in arr:
        sum_x += n[0]
        sum_y += n[1]
    mean_x = sum_x / len(arr)
    mean_y = sum_y / len(arr)
    return [mean_x,mean_y]
 
def divide(center,data):#将每一个二维坐标分到与之欧式距离最近的类里
    cla_arr = [[]]
    for i in range(k-1):#创建与k值相同维度的空数组存取坐标
        cla_arr.append([])
    for j in range(len(data)):
        loc = dist_rank(center,data[j])
        cla_arr[loc].append(list(data[j]))
    return cla_arr
 
def new_center(cla):#计算每类平均值更新类中心
    new_cen = []
    for g in range(k):
        new = means(cla[g])
        new_cen.append(new)
    return new_cen
 
def index_element(arr,data,sw):#索引第sw个元素对应的类别
    index = []
    for i in range(len(data)):#遍历每一个数据
        for j in range(k):#遍历每一个类别
            tem = arr[j]
            for d in range(len(tem)):#遍历类别内的每一个数据
                if data[i][0] == tem[d][0] and data[i][1] == tem[d][1]:#如果横纵坐标数值都相等
                    index.append((j + 1))#归为j+1类
                else:
                    continue
    return index[sw]
 
def Kmeans(n,sw):#获取n次更新后类别中心以及第sw个元素对应的类别
    data, x_data, y_data = readdata()#读取数据
    center = init(k)  # 获取初始类别中心
    while n > 0:
        cla_arr = divide(center,data)# 将数据分到随机选取的类中心的里
        center = new_center(cla_arr)#更新类别中心
        n -= 1
    sse1 = 0
    for j in range(k):
        for i in range(len(cla_arr[j])):  # 计算每个类里的误差平方
            # 计算每个类里每个元素与元素中心的误差平方
            dist1 = math.pow(dist(cla_arr[j][i], center[j]), 2)
            sse1 += dist1
    sse1 = sse1 / len(data)
    index = index_element(cla_arr,data,sw)
    return center,index,sse1,cla_arr
center_l, index,sse1, cla_arr = Kmeans(n,sw)
print("类别中心为:",center_l)
print("所查元素属于类别：",index)
print('k值为{0}时的误差平方和为{1}'.format(k,sse1))#format格式化占位输出误差平方和
 
def visualization(cla):#聚类可视化展现
    cla_x = [[]]
    cla_y = [[]]
    for m in range(k-1):#创建与k值相同维度的空数组存取x坐标和y坐标
        cla_x.append([])
        cla_y.append([])
    for i in range(k):#遍历k次读取k个类别
        for j in cla[i]:#遍历每一类存取横纵坐标
            cla_x[i].append(j[0])
            cla_y[i].append(j[1])
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
    plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']#解决中文不能显示的问题
    plt.figure()
    plt.xlabel("x")
    plt.ylabel("y")
    plt.title("聚类图")
    plt.scatter(cla_x[0],cla_y[0],c = 'r',marker = 'h')
    plt.scatter(cla_x[1], cla_y[1], c='y', marker='.')
    plt.scatter(cla_x[2], cla_y[2], c='g', marker='o')
    plt.scatter(cla_x[3], cla_y[3], c='b', marker=',')
    plt.scatter(cla_x[4], cla_y[4], c='k', marker='p')
    plt.show()
 
visualization(cla_arr)
 
def hand():#画出手肘图
    #sse列表是循环次数为3，改变k从2到8一个一个人工测得存入
    sse = [17.840272113687078,12.116153021227769,8.563862232332205,4.092534331364449,3.573312882789776,3.42794767600246,3.2880646083752185]
    x = np.linspace(2,8,7)#创建等间距大小为7的数组
    plt.xlabel("k值")#横坐标名称
    plt.ylabel("误差平方和")#纵坐标名称
    plt.title("手肘图")#曲线名
    plt.plot(x,sse)#画出曲线
    plt.show()
hand()