无监督学习教程：Python K-Means聚类示例和代码

2021年9月18日22:44:18 发表评论 1,247 次浏览

K-Means 聚类是一个属于无监督 学习的概念。该算法可用于在未标记数据中查找组。Python如何实现K-Means聚类？为了演示这个概念，我将回顾 Python 中 K-Means 聚类的一个简单示例。

这个Python K-Means聚类教程要涵盖的主题：

为二维数据集创建 DataFrame
找到 3 个簇的质心，然后找到 4 个簇的质心
添加图形用户界面 (GUI) 以显示结果

在本教程结束时，你将能够在 Python 中创建以下GUI：

Python K-Means聚类示例

首先，让我们回顾一个带有以下二维数据集的简单示例：

然后，你可以使用pandas DataFrame在 Python 中捕获此数据：

from pandas import DataFrame

Data = {'x': [25,34,22,27,33,33,31,22,35,34,67,54,57,43,50,57,59,52,65,47,49,48,35,33,44,45,38,43,51,46],
        'y': [79,51,53,78,59,74,73,57,69,75,51,32,40,47,53,36,35,58,59,50,25,20,14,12,20,5,29,27,8,7]
       }
  
df = DataFrame(Data,columns=['x','y'])
print (df)

如果你在 Python 中运行代码，你将获得与我们的数据集匹配的输出：

接下来，你将看到如何使用sklearn找到 3 个集群的质心，然后是 4 个集群的质心。

Python 中的 K-Means 聚类 – 3 个集群

Python如何实现K-Means聚类？根据上述数据创建 DataFrame 后，你需要导入 2 个额外的 Python 模块：

matplotlib – 用于在 Python 中创建图表
sklearn——用于在 Python 中应用 K-Means 聚类

在下面的Python K-Means聚类代码示例中，你可以指定集群的数量。对于本示例，按如下方式分配 3 个集群：

KMeans(n_clusters= 3 ).fit(df)

from pandas import DataFrame
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans

Data = {'x': [25,34,22,27,33,33,31,22,35,34,67,54,57,43,50,57,59,52,65,47,49,48,35,33,44,45,38,43,51,46],
        'y': [79,51,53,78,59,74,73,57,69,75,51,32,40,47,53,36,35,58,59,50,25,20,14,12,20,5,29,27,8,7]
       }
  
df = DataFrame(Data,columns=['x','y'])
  
kmeans = KMeans(n_clusters=3).fit(df)
centroids = kmeans.cluster_centers_
print(centroids)

plt.scatter(df['x'], df['y'], c= kmeans.labels_.astype(float), s=50, alpha=0.5)
plt.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], c='red', s=50)
plt.show()

在 Python 中运行代码，你将看到 3 个具有 3 个不同质心的集群：

请注意，每个集群的中心（红色）表示属于该集群的所有观测值的平均值。

你可能还会看到，与其他集群的中心相比，属于给定集群的观测值更靠近该集群的中心。

Python 中的 K-Means 聚类 – 4 个集群

Python K-Means聚类示例：现在让我们看看如果你使用 4 个集群会发生什么。在这种情况下，你唯一需要做的就是将n_clusters从 3更改为 4：

KMeans(n_clusters= 4 ).fit(df)

因此，4 个集群的完整 Python 代码如下所示：

from pandas import DataFrame
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans

Data = {'x': [25,34,22,27,33,33,31,22,35,34,67,54,57,43,50,57,59,52,65,47,49,48,35,33,44,45,38,43,51,46],
        'y': [79,51,53,78,59,74,73,57,69,75,51,32,40,47,53,36,35,58,59,50,25,20,14,12,20,5,29,27,8,7]
       }
  
df = DataFrame(Data,columns=['x','y'])
  
kmeans = KMeans(n_clusters=4).fit(df)
centroids = kmeans.cluster_centers_
print(centroids)

plt.scatter(df['x'], df['y'], c= kmeans.labels_.astype(float), s=50, alpha=0.5)
plt.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], c='red', s=50)
plt.show()

运行代码，你现在将看到 4 个具有 4 个不同质心的集群：

Python K-Means聚类教程：显示结果的 Tkinter GUI

你可以使用Python 中的tkinter 模块在简单的图形用户界面上显示集群。

这是你可以使用的Python K-Means聚类代码示例（对于 3 个集群）：

from pandas import DataFrame
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans
import tkinter as tk
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg

Data = {'x': [25,34,22,27,33,33,31,22,35,34,67,54,57,43,50,57,59,52,65,47,49,48,35,33,44,45,38,43,51,46],
        'y': [79,51,53,78,59,74,73,57,69,75,51,32,40,47,53,36,35,58,59,50,25,20,14,12,20,5,29,27,8,7]
       }
  
df = DataFrame(Data,columns=['x','y'])
  
kmeans = KMeans(n_clusters=3).fit(df)
centroids = kmeans.cluster_centers_

root= tk.Tk()

canvas1 = tk.Canvas(root, width = 100, height = 100)
canvas1.pack()

label1 = tk.Label(root, text=centroids, justify = 'center')
canvas1.create_window(70, 50, window=label1)

figure1 = plt.Figure(figsize=(5,4), dpi=100)
ax1 = figure1.add_subplot(111)
ax1.scatter(df['x'], df['y'], c= kmeans.labels_.astype(float), s=50, alpha=0.5)
ax1.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], c='red', s=50)
scatter1 = FigureCanvasTkAgg(figure1, root) 
scatter1.get_tk_widget().pack(side=tk.LEFT, fill=tk.BOTH)

root.mainloop()

这就是在 Python 中运行代码时你会得到的：

Python K-Means聚类示例：更高级的 Tkinter GUI

在本教程的最后一部分，我将分享创建更高级的 tkinter GUI 的代码，它允许你：

导入带有二维数据集的 Excel 文件
输入所需的集群数量
显示聚类和质心

这是完整的Python K-Means聚类代码示例：

import tkinter as tk
from tkinter import filedialog
import pandas as pd
from pandas import DataFrame
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg

root= tk.Tk()

canvas1 = tk.Canvas(root, width = 400, height = 300,  relief = 'raised')
canvas1.pack()

label1 = tk.Label(root, text='k-Means Clustering')
label1.config(font=('helvetica', 14))
canvas1.create_window(200, 25, window=label1)

label2 = tk.Label(root, text='Type Number of Clusters:')
label2.config(font=('helvetica', 8))
canvas1.create_window(200, 120, window=label2)

entry1 = tk.Entry (root) 
canvas1.create_window(200, 140, window=entry1)

def getExcel ():
    
    global df
    import_file_path = filedialog.askopenfilename()
    read_file = pd.read_excel (import_file_path)
    df = DataFrame(read_file,columns=['x','y'])  
    
browseButtonExcel = tk.Button(text=" Import Excel File ", command=getExcel, bg='green', fg='white', font=('helvetica', 10, 'bold'))
canvas1.create_window(200, 70, window=browseButtonExcel)

def getKMeans ():
    global df
    global numberOfClusters
    numberOfClusters = int(entry1.get())
    
    kmeans = KMeans(n_clusters=numberOfClusters).fit(df)
    centroids = kmeans.cluster_centers_
    
    label3 = tk.Label(root, text= centroids)
    canvas1.create_window(200, 250, window=label3)
    
    figure1 = plt.Figure(figsize=(4,3), dpi=100)
    ax1 = figure1.add_subplot(111)
    ax1.scatter(df['x'], df['y'], c= kmeans.labels_.astype(float), s=50, alpha=0.5)
    ax1.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], c='red', s=50)
    scatter1 = FigureCanvasTkAgg(figure1, root) 
    scatter1.get_tk_widget().pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.BOTH)
    
processButton = tk.Button(text=' Process k-Means ', command=getKMeans, bg='brown', fg='white', font=('helvetica', 10, 'bold'))
canvas1.create_window(200, 170, window=processButton)

root.mainloop()

Python如何实现K-Means聚类？在运行上述代码之前，你需要将二维数据集存储在 Excel 文件中。例如，你可以将以下日期集复制到 Excel 文件中：