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K-Means 分群

課前測驗

在這節課中，你將學習如何使用 Scikit-learn 和之前導入的尼日利亞音樂數據集來創建分群。我們將介紹 K-Means 分群的基礎知識。請記住，正如你在之前的課程中學到的，分群有很多方法，使用哪種方法取決於你的數據。我們將嘗試 K-Means，因為它是最常見的分群技術。讓我們開始吧！

你將學到的術語：

• Silhouette 分數
• 肘部法則
• 慣性
• 方差

介紹

K-Means 分群 是一種源自信號處理領域的方法。它用於將數據分組並劃分為 'k' 個分群，通過一系列觀測來完成。每次觀測都會將數據點分配到距離最近的 '均值' 或分群的中心點。

分群可以被視覺化為 Voronoi 圖，其中包括一個點（或“種子”）及其對應的區域。

信息圖由 Jen Looper 提供

K-Means 分群過程通過三步流程執行：

1. 演算法通過從數據集中抽樣選擇 k 個中心點。接著進行迴圈：
   1. 將每個樣本分配到最近的中心點。
   2. 通過計算分配到之前中心點的所有樣本的平均值來創建新的中心點。
   3. 計算新舊中心點之間的差異，並重複直到中心點穩定。

使用 K-Means 的一個缺點是需要確定 'k'，即中心點的數量。幸運的是，“肘部法則”可以幫助估算 'k' 的良好起始值。你將很快嘗試它。

前置條件

你將在本課的 notebook.ipynb 文件中工作，其中包括你在上一課中完成的數據導入和初步清理。

練習 - 準備工作

首先再次查看歌曲數據。

1. 為每一列調用 boxplot() 創建一個箱型圖：

   plt.figure(figsize=(20,20), dpi=200)
   
   plt.subplot(4,3,1)
   sns.boxplot(x = 'popularity', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,2)
   sns.boxplot(x = 'acousticness', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,3)
   sns.boxplot(x = 'energy', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,4)
   sns.boxplot(x = 'instrumentalness', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,5)
   sns.boxplot(x = 'liveness', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,6)
   sns.boxplot(x = 'loudness', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,7)
   sns.boxplot(x = 'speechiness', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,8)
   sns.boxplot(x = 'tempo', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,9)
   sns.boxplot(x = 'time_signature', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,10)
   sns.boxplot(x = 'danceability', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,11)
   sns.boxplot(x = 'length', data = df)
   
   plt.subplot(4,3,12)
   sns.boxplot(x = 'release_date', data = df)
   

   這些數據有點雜亂：通過觀察每一列的箱型圖，你可以看到異常值。

   

   你可以遍歷數據集並移除這些異常值，但這樣會使數據變得非常少。

2. 現在選擇你將用於分群練習的列。選擇範圍相似的列，並將 artist_top_genre 列編碼為數值數據：

   from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
   le = LabelEncoder()
   
   X = df.loc[:, ('artist_top_genre','popularity','danceability','acousticness','loudness','energy')]
   
   y = df['artist_top_genre']
   
   X['artist_top_genre'] = le.fit_transform(X['artist_top_genre'])
   
   y = le.transform(y)
   

3. 現在你需要選擇目標分群的數量。你知道數據集中有 3 個歌曲類型，因此我們嘗試 3：

   from sklearn.cluster import KMeans
   
   nclusters = 3 
   seed = 0
   
   km = KMeans(n_clusters=nclusters, random_state=seed)
   km.fit(X)
   
   # Predict the cluster for each data point
   
   y_cluster_kmeans = km.predict(X)
   y_cluster_kmeans
   

你會看到一個陣列，列印出每行數據框的預測分群（0、1 或 2）。

1. 使用此陣列計算 'Silhouette 分數'：

   from sklearn import metrics
   score = metrics.silhouette_score(X, y_cluster_kmeans)
   score
   

Silhouette 分數

尋找接近 1 的 Silhouette 分數。此分數範圍從 -1 到 1，如果分數為 1，則分群密集且與其他分群分離良好。接近 0 的值表示分群重疊，樣本非常接近鄰近分群的決策邊界。（來源）

我們的分數是 0.53，介於中間。這表明我們的數據不太適合這種分群，但我們繼續。

練習 - 建立模型

1. 導入 KMeans 並開始分群過程。

   from sklearn.cluster import KMeans
   wcss = []
   
   for i in range(1, 11):
       kmeans = KMeans(n_clusters = i, init = 'k-means++', random_state = 42)
       kmeans.fit(X)
       wcss.append(kmeans.inertia_)
   
   

   這裡有幾個部分需要解釋。

   🎓 range：這是分群過程的迭代次數

   🎓 random_state："決定中心點初始化的隨機數生成。" 來源

   🎓 WCSS："分群內平方和" 測量分群內所有點到分群中心點的平均平方距離。來源

   🎓 慣性：K-Means 演算法試圖選擇中心點以最小化“慣性”，“慣性是分群內部一致性的度量。” 來源。該值在每次迭代中附加到 wcss 變數。

   🎓 k-means++：在 Scikit-learn 中，你可以使用 'k-means++' 優化，它“初始化中心點，使它們（通常）彼此距離較遠，從而可能比隨機初始化獲得更好的結果。”

肘部法則

之前，你推測因為你目標是 3 個歌曲類型，所以應選擇 3 個分群。但真的是這樣嗎？

1. 使用“肘部法則”確認。

   plt.figure(figsize=(10,5))
   sns.lineplot(x=range(1, 11), y=wcss, marker='o', color='red')
   plt.title('Elbow')
   plt.xlabel('Number of clusters')
   plt.ylabel('WCSS')
   plt.show()
   

   使用你在上一步中建立的 wcss 變數創建一個圖表，顯示肘部的“彎曲”位置，這表明最佳分群數量。可能確實是 3！

   

練習 - 顯示分群

1. 再次嘗試此過程，這次設置三個分群，並以散點圖顯示分群：

   from sklearn.cluster import KMeans
   kmeans = KMeans(n_clusters = 3)
   kmeans.fit(X)
   labels = kmeans.predict(X)
   plt.scatter(df['popularity'],df['danceability'],c = labels)
   plt.xlabel('popularity')
   plt.ylabel('danceability')
   plt.show()
   

2. 檢查模型的準確性：

   labels = kmeans.labels_
   
   correct_labels = sum(y == labels)
   
   print("Result: %d out of %d samples were correctly labeled." % (correct_labels, y.size))
   
   print('Accuracy score: {0:0.2f}'. format(correct_labels/float(y.size)))
   

   此模型的準確性不太好，分群的形狀給了你提示原因。

   

   這些數據太不平衡，相關性太低，列值之間的方差太大，無法很好地分群。事實上，形成的分群可能受到我們上面定義的三個類型的影響或偏斜。這是一個學習過程！

   在 Scikit-learn 的文檔中，你可以看到像這樣的模型，分群劃分不太清晰，存在“方差”問題：

   

   信息圖來自 Scikit-learn

方差

方差被定義為“與平均值的平方差的平均值” （來源）。在這個分群問題的背景下，它指的是數據集中數字偏離平均值的程度。

✅ 這是一個很好的時機來思考所有可能的方式來解決這個問題。進一步調整數據？使用不同的列？使用不同的演算法？提示：嘗試縮放你的數據以進行標準化並測試其他列。

試試這個 '方差計算器' 來更好地理解這個概念。

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🚀挑戰

花些時間使用這個 notebook，調整參數。你能通過更多清理數據（例如移除異常值）來提高模型的準確性嗎？你可以使用權重來給某些數據樣本更多的權重。還有什麼方法可以創建更好的分群？

提示：嘗試縮放你的數據。notebook 中有註解的程式碼，添加標準縮放以使數據列在範圍上更接近。你會發現雖然 Silhouette 分數下降了，但肘部圖中的“彎曲”變得更平滑。這是因為未縮放的數據允許方差較小的數據具有更大的權重。閱讀更多關於這個問題的內容這裡。

課後測驗

回顧與自學

看看一個 K-Means 模擬器例如這個。你可以使用這個工具來視覺化樣本數據點並確定其中心點。你可以編輯數據的隨機性、分群數量和中心點數量。這是否幫助你更好地理解數據如何分組？

另外，看看 這份關於 K-Means 的講義 來自斯坦福。

作業

嘗試不同的分群方法

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