Golf o algoritmo K-means


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K-means é um algoritmo de clustering não supervisionado padrão que, dado um conjunto de "pontos" e um número de clusters K, atribuirá cada "ponto" a um dos K ​​clusters.

Pseudo-código de K-significa

Observe que existem muitas variantes de médias K. Você precisa implementar o algoritmo que estou descrevendo abaixo. Você pode ter alguma variação no algoritmo ou usar built-ins desde que obtenha o mesmo resultado que esse algoritmo, considerando os mesmos pontos iniciais.

Neste desafio, todas as entradas serão pontos no plano 2D (cada ponto é representado por suas coordenadas em x e y).

Inputs: K, the number of clusters
        P, the set of points

Choose K points of P uniformly at random
Each chosen point is the initial centroid of its cluster

Loop:
     For each point in P:
         Assign to the cluster whose centroid is the nearest (Euclidean distance)
         In case of a tie, any of the tied cluster can be chosen

     Recompute the centroid of each cluster:
         Its x coordinate is the average of all x's of the points in the cluster
         Its y coordinate is the average of all y's of the points in the cluster

Until the clusters don't change from one iteration to the next

Output: the set of clusters    

Entradas e saídas

  • Você pode passar K e P através STDINou como argumento de função, etc.
  • P e os pontos em P podem ser representados usando qualquer estrutura natural para conjuntos / listas no seu idioma de escolha.
  • K é um número inteiro estritamente positivo.
  • Você pode assumir que as entradas são válidas.
  • Sempre haverá pelo menos K pontos em P.
  • Você pode enviar os clusters STDOUT, retorná-los de uma função etc.
  • A ordem dos clusters e a ordem dentro dos clusters não é importante. -Você pode retornar grupos de pontos para representar clusters ou cada ponto rotulado com um identificador para o cluster (por exemplo, um número inteiro).

Casos de teste

Como os clusters resultantes dependem de quais pontos foram escolhidos inicialmente, nem todos poderão obter os mesmos resultados (ou o mesmo resultado sempre que executar seu código).

Portanto, tome apenas a saída como exemplo de saída.

Input:
  K = 1
  P = [[1,2.5]]
Output:
  [[[1,2.5]]]

Input:
  K = 3
  P = [[4,8], [15,16], [23,42], [-13.37,-12.1], [666,-666]]
Output:
  [[[666,-666]],[[-13.37,-12.1],[4,8]],[[15,16],[23,42]]]

Input:
  K = 2
  P = [[1,1], [1,1], [1,1]]
Output:
  [[[1,1]],[[1,1],[1,1]]]

Pontuação

Isso é , então a resposta mais curta em bytes vence.


Os embutidos são permitidos quando os resultados são indistinguíveis do seu algoritmo?
Martin Ender

@ MartinBüttner, se você puder justificar que, dados os mesmos pontos iniciais, converge para o mesmo resultado, sim.
Fatalize

Também seria aceitável gerar etiquetas de associação de um cluster para cada ponto? (Por exemplo, todos os pontos do primeiro grupo têm etiqueta 1, todos os pontos do segundo uma etiqueta tem 2etc)
flawr

@ flawr Sim, isso é aceitável.
Fatalize

Caso de teste degenerada: K=2, P = [[1,1], [1,1], [1,1]].
Peter Taylor

Respostas:


4

Matlab, 25 bytes

@(x,k)kmeans(x,k,'S','u')

Dada uma n x 2matriz (uma linha por ponto, por exemplo [[4,8]; [15,16]; [23,42]; [-13.37,-12.1]; [666,-666]]), essas funções retornam uma lista de rótulos para cada ponto de entrada.


5

C ++, 479 474 bytes

Apenas ~ 20x mais do que o Matlab!

Golfe

#define V vector<P>
#define f float
struct P{f x,y,i=0;f d(P&p){return(p.x-x)*(p.x-x)+(p.y-y)*(p.y-y);}f n(P&p){return i?x/=i,y/=i,d(p):x=p.x,y=p.y,0;}f a(P&p){x+=p.x,y+=p.y,i++;}};P z;int l(P a,P b){return a.d(z)<b.d(z);}f m(f k,V&p){f s=p.size(),i,j=0,t=1;V c(k),n=c,d;for(random_shuffle(p.begin(),p.end());j<k;c[j].i=j++)c[j]=p[j];for(;t;c=n,n=V(k)){for(i=0;i<s;i++)d=c,z=p[i],sort(d.begin(),d.end(),l),j=d[0].i,p[i].i=j,n[j].a(p[i]);for(j=t=0;j<k;j++)t+=n[j].n(c[j]);}}

A entrada / saída para o algoritmo é um conjunto de pontos ( struct P) com xe y; e a saída é o mesmo conjunto, com os respectivos ipara indicar o índice do cluster de saída em que o ponto termina.

Esse extra itambém é usado para identificar os clusters. No loop principal, o centróide mais próximo de cada ponto é encontrado, classificando uma cópia dos centróides atuais por proximidade a esse ponto.

Isso lida com casos degenerados (grupos vazios) mantendo a posição anterior dos centróides correspondentes (consulte a definição de P::n, que também retorna a distância entre os centróides anteriores). Alguns caracteres podem ser salvos assumindo que eles não aparecerão.

Ungolfed, com principal

#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

#define V vector<P>
#define f float
struct P{
    f x,y,i=0;
    f d(P&p){return(p.x-x)*(p.x-x)+(p.y-y)*(p.y-y);} // distance squared
    f n(P&p){return i?x/=i,y/=i,d(p):x=p.x,y=p.y,0;} // normalize-or-reset
    f a(P&p){x+=p.x,y+=p.y,i++;}                     // add coordinates
};
P z;int l(P a,P b){return a.d(z)<b.d(z);}            // closer-to-z comparator 
f m(f k,V&p){
    f s=p.size(),i,j=0,t=1;V c(k),n=c,d;
    for(random_shuffle(p.begin(),p.end());j<k;c[j].i=j++)
        c[j]=p[j];                                // initial random assignment
    for(;t;c=n,n=V(k)){                           
        for(i=0;i<s;i++)                          // assign to clusters
            d=c,z=p[i],sort(d.begin(),d.end(),l),
            j=d[0].i,p[i].i=j,n[j].a(p[i]);       // and add those coords
        for(j=t=0;j<k;j++)t+=n[j].n(c[j]);        // normalize & count changes
    }        
}

int main(int argc, char **argv) {
    srand((unsigned long)time(0));

    int k;
    V p;
    sscanf(argv[1], "%d", &k);
    printf("Input:\n");
    for (int i=2,j=0; i<argc; i+=2, j++) {
        P n;
        sscanf(argv[i], "%f", &(n.x));
        sscanf(argv[i+1], "%f", &(n.y));
        p.push_back(n);
        printf("%d : %f,%f\n", j, p[j].x, p[j].y);
    }

    m(k,p);
    printf("Clusters:\n");
    for (int q=0; q<k; q++) {
        printf("%d\n", q);
        for (unsigned int i=0; i<p.size(); i++) {
            if (p[i].i == q) printf("\t%f,%f (%d)\n", p[i].x, p[i].y, i);
        }
    }
    return 0;
}

Eu sei que posso me atrasar neste comentário, mas você poderia definir uma macro #define R p){returne alterar o segundo argumento de lpara ppara usá-lo três vezes no total?
Zacharý 6/06/19

4

J, 60 54 bytes

p=:[:(i.<./)"1([:+/&.:*:-)"1/
]p](p(+/%#)/.[)^:_(?#){]

Define um verbo auxiliar pque pega uma lista de pontos e centróides e classifica cada ponto pelo índice do centróide mais próximo. Em seguida, ele usa isso para repetir o processo de escolha de um novo centróide, tomando as médias dos pontos em cada cluster até convergir e, em seguida, particionando os pontos para a saída.

Uso

O valor de k é dado como um número inteiro no LHS. A lista de pontos é apresentada como uma matriz 2D no RHS. Aqui, ele é especificado como uma lista de pontos que são remodelados em uma matriz 2d de 5 x 2. A saída será o rótulo para o qual cluster cada ponto pertence na mesma ordem que a entrada.

Se você deseja usar uma semente fixa para obter resultados reproduzíveis, substitua ?por ?.a (?#).

   p =: [:(i.<./)"1([:+/&.:*:-)"1/
   f =: ]p](p(+/%#)/.[)^:_(?#){]
   3 f (5 2 $ 4 8 15 16 23 42 _13.37 _12.1 666 _666)
0 1 1 0 2

Explicação

[:(i.<./)"1([:+/&.:*:-)"1/  Input: points on LHS, centroids on RHS
           (          )"1/  Form a table between each point and centroid and for each
                     -        Find the difference elementwise
            [:     *:         Square each
              +/&.:           Reduce using addition
                              Apply the inverse of square (square root) to that sum
[:(     )"1                 For each row of that table
     <./                      Reduce using min
   i.                         Find the index of the minimum in that row
                            Returns a list of indices for each point that shows
                            which centroid it belongs to

]p](p(+/%#)/.[)^:_(?#){]  Input: k on LHS, points on RHS
                    #     Count the number of points
                   ?      Choose k values in the range [0, len(points))
                          without repetition
                       ]  Identity function, get points
                      {   Select the points at the indices above
  ]                       Identity function, get points
   (         )^:_         Repeat until convergence
    p                       Get the labels for each point
             [              Identity function, get points
           /.               Partition the points using the labels and for each
      +/                      Take the sums of points elementwise
         #                    Get the number of points
        %                     Divide sum elementwise by the count
                            Return the new values as the next centroids
]                         Identity function, get points
 p                        Get the labels for each point and return it

Eu daria +1, mas estou com medo de que quebrar seus 3k me amaldiçoe.
NoOneIsHere 17/07/2016

3

CJam (60 bytes)

{:Pmr<1/2P,#{:z{_:+\,/}f%:C,{P{C\f{.-Yf#:+}_:e<#1$=},\;}%}*}

Esta é uma função que recebe sua entrada no formulário k pna pilha. Assume que os pontos são representados com duplos, não ints. Ele não assume implicitamente nada sobre a dimensão dos pontos, portanto se agruparia igualmente bem no espaço euclidiano 6-D como no 2-D especificado.

Demonstração online


2

Mathematica 14 12 bytes

Como os embutidos são permitidos, isso deve ser feito.

FindClusters

Exemplo

FindClusters[{{4, 8}, {15, 16}, {23, 42}, {-13.37, -12.1}, {666, -666}}, 3]

{{{4, 8}, {-13,37, -12,1}}, {{15, 16}, {23, 42}}, {{666, -666}}}


Você não precisa dos suportes. f = FindClusters, f[something].
NoOneIsHere 17/07/2016

ok, obrigado, eu não tinha certeza.
21916

1

Gelatina , 24 bytes

_ÆḊ¥þ³i"Ṃ€$
ẊḣµÇÆmƙ³µÐLÇ

Experimente online!

Usa os recursos implementados após o lançamento deste desafio. Supostamente, isso não é mais uma competição .

Explicação

_ÆḊ¥þ³i"Ṃ€$  Helper link. Input: array of points
             (Classify) Given a size-k array of points, classifies
             each point in A to the closet point in the size-k array
    þ        Outer product with
     ³       All points, P
   ¥         Dyadic chain
_              Subtract
 ÆḊ            Norm
          $  Monadic chain
      i"     Find first index, vectorized
        Ṃ€   Minimum each

ẊḣµÇÆmƙ³µÐLÇ  Main link. Input: array of points P, integer k
  µ           Start new monadic chain
Ẋ               Shuffle P
 ḣ              Take the first k
        µ     Start new monadic chain
   Ç            Call helper (Classify)
      ƙ         Group with those values the items of
       ³        All points, P
    Æm            Take the mean of each group
         ÐL   Repeat that until the results converge
           Ç  Call helper (Classify)

1

R , 273 bytes

function(K,P,C=P[sample(nrow(P),K),]){while(T){D=C
U=sapply(1:nrow(P),function(i)w(dist(rbind(P[i,],C))[1:K]))
C=t(sapply(1:K,function(i)colMeans(P[U==i,,drop=F])))
T=isTRUE(all.equal(C,D))}
cbind(U,P)}
w=function(x,y=seq_along(x)[x==min(x)])"if"(length(y)>1,sample(y,1),y)

Experimente online!

Toma Pcomo matriz, com xe ycoordenadas na primeira e na segunda coluna, respectivamente. Retorna Pcom uma primeira coluna adicionada que indica o índice do cluster (inteiro).

Eu tive que redefinir wcopiando a fonte de nnet::which.is.maxpara estar em conformidade com o requisito de que o cluster seja escolhido aleatoriamente em caso de vínculo. Caso contrário, eu usaria a which.minpartir basede um total de 210 bytes. Ainda há espaço para jogar golfe, mas eu não queria ofuscar muito para dar aos outros a chance de detectar possíveis problemas no meu código.


0

Julia 213 bytes

function f(p,k)
A=0
P=size(p,1)
c=p[randperm(P)[1:k],:]
while(true)
d=[norm(c[i]-p[j]) for i in 1:k, j in 1:P]
a=mapslices(indmin,d,1)
a==A&&return a
A=a
c=[mean(p[vec(a.==i),:],1) for i in 1:k]
end
end

Retorna uma matriz do mesmo comprimento que p, com números inteiros indicando a qual cluster o elemento correspondente ppertence.

Acho que ainda há um pouco de escopo para otimizar a contagem de caracteres.

(É claro que eu poderia usar o pacote Clustering.jl para fazer isso trivialmente)

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