基于KMeans聚类分析使用silhouette选择聚类的数目¶

轮廓分析可以用来研究聚类之间的分离距离。轮廓图显示了一个聚类中的每一个点与其最相邻的聚类中的点之间的距离，从而提供了一种可视化评估参数(如簇数)的方法。这一度量的范围为[-1，1]。

轮廓系数(这些值的称谓)在+1附近表示样本远离相邻的簇。值为0表示样本位于或非常接近两个相邻簇之间的决策边界，而负值则表示这些样本可能被分配到错误的聚类中。在这个例子中，使用轮廓分析来选择n_clusters的最优值。轮廓图显示，n_clusters为3、5和6， 对于给定的数据来说是一个糟糕的选择，因为存在着低于平均轮廓分数的簇，而且由于轮廓图的大小有很大的波动。轮廓分析的决定是2和4之间。， 但是比较矛盾。

此外，根据轮廓图的厚度，可以将聚类大小可视化。当n_clusters等于2时，簇0的轮廓图由于将3个子簇分组成一个大簇而变得较大。然而，当n_clusters等于4时，所有图的厚度都差不多，因此大小相似，也可以从右侧的标号散点图中得到验证。

For n_clusters = 2 The average silhouette_score is : 0.7049787496083262
For n_clusters = 3 The average silhouette_score is : 0.5882004012129721
For n_clusters = 4 The average silhouette_score is : 0.6505186632729437
For n_clusters = 5 The average silhouette_score is : 0.5745566973301872
For n_clusters = 6 The average silhouette_score is : 0.4387644975296138

from sklearn.datasets import make_blobs
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import silhouette_samples, silhouette_score

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.cm as cm
import numpy as np

print(__doc__)

# Generating the sample data from make_blobs
# This particular setting has one distinct cluster and 3 clusters placed close
# together.
X, y = make_blobs(n_samples=500,
                  n_features=2,
                  centers=4,
                  cluster_std=1,
                  center_box=(-10.0, 10.0),
                  shuffle=True,
                  random_state=1)  # For reproducibility

range_n_clusters = [2, 3, 4, 5, 6]

for n_clusters in range_n_clusters:
    # Create a subplot with 1 row and 2 columns
    fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2)
    fig.set_size_inches(18, 7)

    # The 1st subplot is the silhouette plot
    # The silhouette coefficient can range from -1, 1 but in this example all
    # lie within [-0.1, 1]
    ax1.set_xlim([-0.1, 1])
    # The (n_clusters+1)*10 is for inserting blank space between silhouette
    # plots of individual clusters, to demarcate them clearly.
    ax1.set_ylim([0, len(X) + (n_clusters + 1) * 10])

    # Initialize the clusterer with n_clusters value and a random generator
    # seed of 10 for reproducibility.
    clusterer = KMeans(n_clusters=n_clusters, random_state=10)
    cluster_labels = clusterer.fit_predict(X)

    # The silhouette_score gives the average value for all the samples.
    # This gives a perspective into the density and separation of the formed
    # clusters
    silhouette_avg = silhouette_score(X, cluster_labels)
    print("For n_clusters =", n_clusters,
          "The average silhouette_score is :", silhouette_avg)

    # Compute the silhouette scores for each sample
    sample_silhouette_values = silhouette_samples(X, cluster_labels)

    y_lower = 10
    for i in range(n_clusters):
        # Aggregate the silhouette scores for samples belonging to
        # cluster i, and sort them
        ith_cluster_silhouette_values = \
            sample_silhouette_values[cluster_labels == i]

        ith_cluster_silhouette_values.sort()

        size_cluster_i = ith_cluster_silhouette_values.shape[0]
        y_upper = y_lower + size_cluster_i

        color = cm.nipy_spectral(float(i) / n_clusters)
        ax1.fill_betweenx(np.arange(y_lower, y_upper),
                          0, ith_cluster_silhouette_values,
                          facecolor=color, edgecolor=color, alpha=0.7)

        # Label the silhouette plots with their cluster numbers at the middle
        ax1.text(-0.05, y_lower + 0.5 * size_cluster_i, str(i))

        # Compute the new y_lower for next plot
        y_lower = y_upper + 10  # 10 for the 0 samples

    ax1.set_title("The silhouette plot for the various clusters.")
    ax1.set_xlabel("The silhouette coefficient values")
    ax1.set_ylabel("Cluster label")

    # The vertical line for average silhouette score of all the values
    ax1.axvline(x=silhouette_avg, color="red", linestyle="--")

    ax1.set_yticks([])  # Clear the yaxis labels / ticks
    ax1.set_xticks([-0.1, 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1])

    # 2nd Plot showing the actual clusters formed
    colors = cm.nipy_spectral(cluster_labels.astype(float) / n_clusters)
    ax2.scatter(X[:, 0], X[:, 1], marker='.', s=30, lw=0, alpha=0.7,
                c=colors, edgecolor='k')

    # Labeling the clusters
    centers = clusterer.cluster_centers_
    # Draw white circles at cluster centers
    ax2.scatter(centers[:, 0], centers[:, 1], marker='o',
                c="white", alpha=1, s=200, edgecolor='k')

    for i, c in enumerate(centers):
        ax2.scatter(c[0], c[1], marker='$%d$' % i, alpha=1,
                    s=50, edgecolor='k')

    ax2.set_title("The visualization of the clustered data.")
    ax2.set_xlabel("Feature space for the 1st feature")
    ax2.set_ylabel("Feature space for the 2nd feature")

    plt.suptitle(("Silhouette analysis for KMeans clustering on sample data "
                  "with n_clusters = %d" % n_clusters),
                 fontsize=14, fontweight='bold')

plt.show()

脚本的总运行时间：(0分1.238秒)

Download Python source code:plot_kmeans_silhouette_analysis.py

Download Jupyter notebook:plot_kmeans_silhouette_analysis.ipynb