Vince Jiang

CSCI3230 / 课程伴读 · 本站更新

CSCI3230 L05 · Part 1/5 Clustering basics

课程:CSCI3230 (ESTR3108) Fundamentals of Artificial Intelligence · 2026T1 本讲:L05,第 1 部分 / 共 5 部分 · 原件 L05-Clustering-2026T1.pdf(本地课件) p.1–15 定位:先确定相似的含义,再讨论分组。 前后:下一份 K-Means

整讲导航:

从样本到相似性

封面与路线(p.1–3)

假设桌上有一些没有标签的卡片,每张记录一个人的两个特征。我们想把“比较像”的卡片放在一起,但没人预先告诉我们正确分组。聚类(clustering)要解决的正是这种问题。 它先需要一个相似标准,然后才能谈怎样分组。

本篇只需要会坐标、加减乘除和平方根。后面出现的向量并不神秘:它就是按固定顺序排好的一组数。p.1 是封面,p.2 列出全讲路线,p.3 是基础部分的分节页。先学本篇的“如何比远近”,再学 K-Means 的中心、DBSCAN 的邻居和层次聚类的合并。

数据点(p.4)

p.4 Each sample can be called a Data Point.

数据点是一个样本在特征空间中的表示。补充自取例:把一次购买记录为“面包数量、牛奶数量”,买 1 个面包与 2 瓶奶就是 a=(1,2)a=(1,2)。第一个位置永远是面包,第二个永远是牛奶;另一张卡片 b=(2,1)b=(2,1) 用同样顺序。若交换一张卡片的顺序再比较,算术虽没错,比较的对象却错了。

一般写 a∈Rna\in\mathbb{R}^n,意思是 aa 有 nn 个实数特征;aja_j 是第 jj 个特征。nn 是一张卡片有几个数,样本数是有几张卡片,两者不同。把很多点摆成数据表时,通常一行一个样本、一列一种特征。

p.4的sample还有抽样含义:个体或对象来自某个总体,并经明确程序收集或选取。样本点不是算法凭空产生的点;收集程序决定哪些对象被看见,进而影响聚类可代表的范围。

标签与簇回答不同问题(p.5–7)【延伸 L01 p.68–71】

分类拿着已知标签学习,例如已经标好的猫和狗照片。聚类训练时不靠每点的正确类别,先根据特征找分组。分出的“簇 1”只是编号,不自带“猫”这个语义。把簇 1 与簇 2 的编号交换,分组本身没有变。

图(p.7):同样八点的四种着色。 元素:四幅图点的位置不变,一幅左右两团颜色不同,一幅只把一个点分出去,一幅按上下分,一幅按其他组合分。 看什么:数据的位置不能自动规定唯一标签;算法和相似标准共同决定哪些结构被强调。

为准确读出p.5–7:p.5以红色表示Class 0、绿色表示Class 1。p.7四图则展示没有已知标签时的不同候选划分。按位置记左团上排为L1、L2,下排为L3、L4,右团上方两点为R1、R2、下方为R3、R4:第一图红色是全部L点,绿色是全部R点;第二图只L1为绿,其余为红;第三图四个上方点为红、四个下方点为绿;第四图L1、L2、L3、R1、R2为红,L4、R3、R4为绿。这些位置记号是为了文字复现原图,不是课件新增的数据坐标。

补充自取例:按面包和牛奶的购买数量,(1,2)(1,2) 与 (2,1)(2,1) 可能很像;但如果任务只看“更偏好牛奶还是面包”,这两人方向不同。先写下业务问题,再选择特征和距离,才不会把“算法分好了”误当“问题回答对了”。无监督不是无需人为选择:距离、尺度和超参数仍由人决定。

欧氏与曼哈顿距离(p.8–9)【新】

先用课件同一对点 a=(1,2)a=(1,2)、b=(2,1)b=(2,1) 算。逐坐标相减得到 (−1,1)(-1,1):第一个特征差 1,第二个也差 1。直接相加会得到 0,把正负误差抵消掉,因此不能这样量远近。

欧氏距离先平方、再求和、最后开根号。二维时这是勾股定理的斜边长度:

d2(a,b)=(a1−b1)2+(a2−b2)2=(1−2)2+(2−1)2=1+1=2. \begin{aligned} d_2(a,b)&=\sqrt{(a_1-b_1)^2+(a_2-b_2)^2}\\ &=\sqrt{(1-2)^2+(2-1)^2}\\ &=\sqrt{1+1}=\sqrt{2}. \end{aligned}

下标 2 表示用二次方这一种距离,不是第 2 个点。推广到 nn 维,只是把两个坐标的平方和改成所有坐标的平方和:

d2(a,b)=∑j=1n(aj−bj)2. d_2(a,b)=\sqrt{\sum_{j=1}^{n}(a_j-b_j)^2}.

∑\sum 表示把 j=1j=1 到 nn 的各项加起来。输入是两个 nn 维向量,输出是一个非负数。越小表示在这套几何下越近。

曼哈顿距离像沿横竖街道走路,分别走完每个方向的差,再相加:

d1(a,b)=∑j=1n∣aj−bj∣=1+1=2. d_1(a,b)=\sum_{j=1}^{n}\lvert a_j-b_j\rvert=1+1=2.

绝对值把负差变成正长度,和平方消符号的方法不同。两种距离算得不同,并不是其中一种错了:一种量直线,另一种量分方向的路程。

补充自取:单位检查。 若第一个特征是月消费额、第二个是次数,(1000,1)(1000,1) 到 (1100,2)(1100,2) 的原始欧氏距离约为 100,几乎只看钱。金额改用千元后,同一两人变成 (1,1)(1,1) 与 (1.1,2)(1.1,2),距离约 1.005。算法不是对单位免疫。是否标准化,要由“哪类差异应当更重要”决定,不能机械把任何数据都同样缩放。

切比雪夫与统一形式(p.10–11)

切比雪夫距离问“最大的单项差异有多大”:

d∞(a,b)=max⁡j∣aj−bj∣. d_{\infty}(a,b)=\max_j\lvert a_j-b_j\rvert.

对原来两个点,最大差为 1;对课件的 a=(1,2)a=(1,2)、c=(3,1)c=(3,1),两项差为 2、1,所以最大值是 2。这个输出没有把两项累加。

Minkowski 距离把前面几种形式写到一起:

dp(a,b)=(∑j=1n∣aj−bj∣p)1/p,p≥1. d_p(a,b)=\left(\sum_{j=1}^{n}\lvert a_j-b_j\rvert^p\right)^{1/p},\qquad p\ge1.

其中 pp 是人为选的指数,nn 是维数,不能混淆。代 p=1p=1 就是绝对差之和;代 p=2p=2 就是平方和开平方。pp 变大时,大的坐标差比小的坐标差更占优势。

想理解 pp 趋于无穷为何只剩最大差,可以先让 MM 表示最大的绝对差:每一项不超过 MpM^p,其中至少一项等于它。因此

Mp≤∑j∣aj−bj∣p≤nMp. M^p\le\sum_j\lvert a_j-b_j\rvert^p\le nM^p.

两边开 pp 次方得到 M≤dp≤n1/pMM\le d_p\le n^{1/p}M。维数 nn 固定,pp 越大,n1/pn^{1/p} 越接近 1,夹在中间的距离便趋向 MM。这是补充推导,第一次读可以先理解三个特例。

余弦看方向(p.12)

前面量两个点的位置差,余弦相似度改问“两个向量指向是否一致”。它常用于更看重比例而非总量的表示,不能默认适用于所有特征。

s(a,b)=aTb∥a∥2∥b∥2. s(a,b)=\frac{a^Tb}{\lVert a\rVert_2\lVert b\rVert_2}.

这里 aTb=∑jajbja^Tb=\sum_j a_jb_j 是对应坐标相乘再相加的点积;∥a∥2\lVert a\rVert_2 是从原点到 aa 的欧氏长度;分母用两长度的乘积消除总量影响。两个输入都必须非零,否则分母为零。

课件的 a=(1,2)a=(1,2)、b=(2,1)b=(2,1):分子 1×2+2×1=41\times2+2\times1=4;两长度都为 5\sqrt5,分母为 5,所以相似度 0.8。这次越大越像,与距离越小越近相反。p.12 虽把函数名写成 dist,实际算的是相似度。

补充自取:(1,2)(1,2) 和 (10,20)(10,20) 方向完全相同,余弦为 1;但位置差为 (9,18)(9,18),欧氏距离是 405\sqrt{405}。这正说明“买得多十倍但比例相同”在两种任务中会有不同解释。余弦范围为 [−1,1][-1,1];正倍数保持方向,负倍数把方向反转。

小检查: 两点的坐标差为 (3,−4)(3,-4),三种距离各是多少?若两个非零向量互为正倍数,余弦是多少?

参考答案

欧氏距离为 9+16=5\sqrt{9+16}=5;曼哈顿为 3+4=73+4=7;切比雪夫为 4。互为正倍数时余弦为 1,但欧氏距离未必为零。先说清在比较“位置”还是“方向”,再选公式。

补充 · 距离的单位会决定谁成为邻居(通识讲解;演示数据不属于原题)。

演示两个特征为身高和考试分数。A=(170厘米,80分),B=(180厘米,80分),C=(170厘米,85分)。直接算欧氏距离,AB=10、AC=5,于是 C 更近;若只把身高改用米,A=(1.70,80)、B=(1.80,80),则 AB=0.10、AC仍为5,变成 B 更近。现实对象没变,未经处理的数值距离却换了排序。

所以聚类之前先决定每一维差多少才算重要,单位标准化或领域权重是在表达这种选择,不是纯粹清理格式。即使两维标准差相同,也不能自动说明它们对任务同等重要。另一个边界是零向量:它的长度为零,余弦分母无法直接计算;不能把软件随意返回的零值当成定义本身。

应用、算法家族与评价(p.13–15)

图(p.13):建筑、门和雕像的原图与分割结果并列。 元素:同一原图有多种灰绿色块或色区划分。 看什么:参数变化会改变分割,不是每个颜色自动对应一个已知物体名称。

p.14 列出中心型、密度型、层次型方法,也点名 GMM 与谱聚类;本讲后面详细展开的是 K-Means、DBSCAN 与凝聚层次聚类。先掌握这三者,不需要在这一页同时学完每个名称。

p.14的完整分类关系是:划分型(partitional)下面列中心型、密度型、Gaussian Mixture Models(高斯混合模型)和Spectral Clustering(谱聚类);中心型以中心向量代表簇,把近点分配给该中心,例子是K-Means;密度型把高密度区域看作簇、稀疏区域看作噪声或边界,例子是DBSCAN。层次型(hierarchical)另分自底向上的agglomerative和自顶向下的divisive。本讲列出GMM与谱聚类的名字,但没有在这一页给它们的训练推导。

p.15 的 cohesion 是簇内紧密,具体用成员到簇中心的接近程度解释;separation 是簇间分开,具体用不同簇中心之间应较远解释。补充自取:数轴上的 0、1 与 10、11,分成两组后簇内最大差 1、组间最小差 9,直观上既紧又分开。然而一条弯曲密集带可能离单个中心很远,依然是有意义的一组。因此评价必须与算法假设、任务目的相配,不能只记“越紧越好”一句。

p.15配图把三个紧凑且分离的点团标为Good Clustering;另一图用一大团、一条细长团和孤立单点表示Bad Clustering,说明只“分成三组”不等于结构合理。原页最后强调多数应用仍需专家判断。这里判断的是该示意数据与任务,不能由图推广成“所有细长簇都不好”,后面的DBSCAN恰能表示有意义的弯曲簇。

补充:平方距离与余弦“不相似度”并不都是度量

这里把两个常用计算量与严格的距离公理区分开。自编数轴点0、1、2,平方欧氏量从0到2为4,而两段为1与1;4>1+14>1+1,所以平方距离不满足三角不等式。K-means仍能用平方距离作为目标,算法需要的目标函数不必自动是数学意义上的度量。

余弦相似度对非零向量定义为点积除以长度乘积。取 a=(1,0),b=(1,1),c=(0,1)a=(1,0),b=(1,1),c=(0,1),则 1−cos⁡(a,c)=11-\cos(a,c)=1,另两段各为 1−1/2≈0.29291-1/\sqrt2\approx0.2929,相加约0.5858,小于1,所以这种余弦不相似度也不满足三角不等式。它强调方向,aa与 2a2a 的不相似度为0,尽管两向量不同。

零向量还会使分母为0,必须由数据处理或实现说明如何处理,不能写成余弦0便默认解决。理解这些边界的用处是:若后来某个加速算法依赖三角不等式,就不能把任意“越小越像”的公式无条件塞进去;而单纯按某个分数排序近邻则是另一件事。

本讲核心考点

  • 先决定样本、特征与相似性,再谈聚类结果(p.4–7)。
  • 从同一对点分别算 L1、L2、最大坐标差与余弦,说明大小方向(p.8–12)。
  • 区分簇内紧密、簇间分离与应用用途(p.13–15);以上为讲义知识点,不预测考试。

附录

先完成正文的小检查;无需借助额外考试题才能理解本节。

来源与证据

  • 原件:L05-Clustering-2026T1.pdf(本地课件);对应页区间见文件头及各节标题。本页正文按 PDF 实际页号阅读;L05 当前文件共 80 页。
  • 数字演示凡非课件原例均明确标为“补充自取”;这些例子用于理解,不是教师布置的作业。
  • 附录中的历史题面保留其文件名、年份和题号,与当前作业区分;它们不能证明本学期考试范围。正文的学习检查是通识练习,不作出题预测。