【Scikit-learn】K-means法でクラスタ分析

この記事では、Pythonと機械学習ライブラリ「scikit-learn」を用いて、K-means法によるクラスタ分析を行う方法について解説します。

クラスタ分析とは

クラスタ分析 (clustering)とは、データを分類する手法です。
与えられたデータを外的基準なし(教師データなし)で自動的に分類します。
クラスタリング、クラスタ解析、クラスター分析などとも呼ばれています。

クラスタ分析にはいくつかの手法が提案されています。
代表的なのは「階層型手法(ウォード法など)」「非階層的手法(K-means法など)」です。

【詳細】【k-means法】クラスタリングのアルゴリズム

今回は、後者をscikit-learnで実装してきます。

K-means法とは

K-means法(k平均法)とは、平均値を用いて与えられたデータを分類する手法です。
与えられたデータを、クラスタ平均値を用いて、k個のクラスタ数に分類することからこの名前がついています。
クラスタ分析の非階層的手法と代表例ですが、シンプルなアルゴリズムです。

【詳細】 K-means法(k平均法)の原理

sklearn.cluster.KMeans クラス

scikit-learnでは、sklearn.cluster.KMeansクラスを使うことでk-means方を実装できます。
その使い方は下記の通りです。

書式

sklearn.cluster.KMeans(n_clusters=8, init='k-means++', n_init=10, max_iter=300, tol=0.0001,precompute_distances='auto', verbose=0, random_state=None, copy_x=True, n_jobs=1)

※各パラメータに設定されてる値(=の後)はデフォルト値

パラメータ 内容
n_clusters クラスタの個数(分類する種類の数)
max_iter 繰り返し回数の最大値
n_init 初期値選択時に、異なる乱数のシードで初期の重心を選ぶ処理の実行回数
init 初期化の方法(’k-means++”, ‘random’ ndarray で指定)
tol 収束判定の許容可能誤差
precompute_distances 距離 (データのばらつき具合) を事前に計算するか否か( ‘auto’, True, False で指定)
verbose 1 なら分析結果を詳細表示
random_state 乱数のシードを固定する場合に指定(数値か「integer or numpy.RandomState」で指定)
copy_x メモリ内でデータを複製してから、距離を事前に計算するか否か
n_jobs 並列処理で初期化する際の多重度(-1 で全てのCPU を使用)
メソッド 内容
fit(X[, y]) クラスタリングの計算をする
fit_predict(X[, y]) 各サンプルのクラスタ番号を算出
fit_transform(X[, y]) クラスタリングの計算をして、Xを分析に用いた距離空間に変換して返す
get_params([deep]) 計算に用いたパラメータを返す
predict(X) Xのサンプルが属しているクラスタ番号を返す
set_params(**params) パラメータを設定
transform(X[, y]) Xを分析に用いた距離空間に変換して返す

【参考文献】 http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.cluster.KMeans.html

ソースコード

サンプルプログラムのソースコードです。

# -*- coding: utf-8 -*-
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans

def main():
    # CSVファイルを取得
    data = pd.read_csv("data.csv")
    # Pandasデータフレームをnumpy配列に変換
    data = np.array([data['x1'].tolist(), data['x2'].tolist(), data['x3'].tolist()], np.int32)
    # numpy配列を転置
    data = data.T
    # k-means法でクラスタ分析(クラスタ数は3)
    result = KMeans(n_clusters=3).fit_predict(data)
    # クラスタ番号を表示
    print(result)

if __name__ == "__main__":
    main()

【data.csv】

x1,x2,x3
45,17.5,30
38,17.0,25
41,18.5,20
34,18.5,30
59,16.0,45
47,19.0,35
35,19.5,25
43,16.0,35
54,18.0,35
52,19.0,40

実行結果

サンプルプログラムの実行結果は下記の通りです。

[2 1 1 1 0 2 1 2 0 0]

今回はdata.csvのx1, x2, x3の3つのデータをもつ10組をk-means法で3つのクラスタに分類しています。
上記の結果だと1組目のデータはクラスタ番号2、2組目はクラスタ番号1…という風に分類されています。

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