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[Python从零到壹] 十三.机器学习之聚类算法四万字总结(K-Means、BIRCH、树状聚类、MeanShift)

在过去,科学家会根据物种的形状习性规律等特征将其划分为不同类型的门类,比如将人种划分为黄种人、白种人和黑种人,这就是简单的人工聚类方法。聚类是将数据集中某些方面相似的数据成员划分在一起,给定简单的规则,对数据集进行分堆,是一种无监督学习。聚类集合中,处于相同聚类中的数据彼此是相似的,处于不同聚类中的元素彼此是不同的。本章主要介绍聚类概念和常用聚类算法,然后详细讲述Scikit-Learn机器学习包中聚类算法的用法,并通过K-Means聚类、Birch层次聚类及PAC降维三个实例加深读者印象。

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    10X Cell Ranger ATAC 算法概述

    执行此步骤是为了修复条形码(barcode,细胞的标识)中偶尔出现的测序错误,从而使片段与原始条形码相关联,从而提高数据质量。16bp条形码序列是从“I2”索引读取得到的。每个条形码序列都根据正确的条形码序列的“白名单”进行检查,并计算每个白名单条形码的频率。我们试图纠正不在白名单上的条形码,方法是找出所有白名单上的条形码,它们与观察到的序列之间的2个差异(汉明距离(Hamming distance)<= 2),并根据reads数据中条形码的丰度和不正确碱基的质量值对它们进行评分。如果在此模型中,未出现在白名单中的观察到的条形码有90%的概率是真实的条形码,则将其更正为白名单条形码。

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    四种聚类方法之比较

    聚类分析是一种重要的人类行为,早在孩提时代,一个人就通过不断改进下意识中的聚类模式来学会如何区分猫狗、动物植物。目前在许多领域都得到了广泛的研究和成功的应用,如用于模式识别、数据分析、图像处理、市场研究、客户分割、Web文档分类等[1]。  聚类就是按照某个特定标准(如距离准则)把一个数据集分割成不同的类或簇,使得同一个簇内的数据对象的相似性尽可能大,同时不在同一个簇中的数据对象的差异性也尽可能地大。即聚类后同一类的数据尽可能聚集到一起,不同数据尽量分离。  聚类技术[2]正在蓬勃发展,对此有贡献的研究领域包括数据挖掘、统计学、机器学习、空间数据库技术、生物学以及市场营销等。各种聚类方法也被不断提出和改进,而不同的方法适合于不同类型的数据,因此对各种聚类方法、聚类效果的比较成为值得研究的课题。 1 聚类算法的分类  目前,有大量的聚类算法[3]。而对于具体应用,聚类算法的选择取决于数据的类型、聚类的目的。如果聚类分析被用作描述或探查的工具,可以对同样的数据尝试多种算法,以发现数据可能揭示的结果。  主要的聚类算法可以划分为如下几类:划分方法、层次方法、基于密度的方法、基于网格的方法以及基于模型的方法[4-6]。  每一类中都存在着得到广泛应用的算法,例如:划分方法中的k-means[7]聚类算法、层次方法中的凝聚型层次聚类算法[8]、基于模型方法中的神经网络[9]聚类算法等。  目前,聚类问题的研究不仅仅局限于上述的硬聚类,即每一个数据只能被归为一类,模糊聚类[10]也是聚类分析中研究较为广泛的一个分支。模糊聚类通过隶 属函数来确定每个数据隶属于各个簇的程度,而不是将一个数据对象硬性地归类到某一簇中。目前已有很多关于模糊聚类的算法被提出,如著名的FCM算法等。  本文主要对k-means聚类算法、凝聚型层次聚类算法、神经网络聚类算法之SOM,以及模糊聚类的FCM算法通过通用测试数据集进行聚类效果的比较和分析。 2 四种常用聚类算法研究 2.1 k-means聚类算法  k-means是划分方法中较经典的聚类算法之一。由于该算法的效率高,所以在对大规模数据进行聚类时被广泛应用。目前,许多算法均围绕着该算法进行扩展和改进。  k-means算法以k为参数,把n个对象分成k个簇,使簇内具有较高的相似度,而簇间的相似度较低。k-means算法的处理过程如下:首先,随机地 选择k个对象,每个对象初始地代表了一个簇的平均值或中心;对剩余的每个对象,根据其与各簇中心的距离,将它赋给最近的簇;然后重新计算每个簇的平均值。 这个过程不断重复,直到准则函数收敛。通常,采用平方误差准则,其定义如下:

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