用K-Means算法处理wine数据集和wine_quality数据集

一、实验目的

根据wine数据集处理的结果，采用2种不同的聚类算法分别建聚类模型；然后，通过定量指标评价所构建的模型的优劣。

二、实验内容  

wine数据集和wine_quality数据集是两份和葡萄酒有关的数据集。

wine数据集包含3种同起源的葡萄酒的记录，共178条。其中，每个特征对应葡萄酒的每种化学成分,并且都属于连续型数据。通过化学分析可以推断葡萄酒的起源。

wine_quality数据集共有1599个观察值，11个输入特征和一个标签。其中，不同类的观察值数量不等，所有特征为连续型数据。通过酒的各类化学成分，预测该葡萄酒的评分。

(1) 使用pandas库分别读取wine数据集和wine_quality数据集；将wine数据集和wine_quality数据集的数据和标签拆分开；将wine数据集和wine_quality数据集划分为训练集和测试集；标准化wine数据集和wine_quality数据集；对wine数据集和wine_quality数据集进行PCA降维。

(2) 根据(1)的wine数据集处理的结果，采用2种不同的聚类算法分别构建聚类模型；然后，通过定量指标评价所构建的模型的优劣。

(3) 根据(1)的wine数据集处理的结果，采用2种不同的分类算法分别构建分类模型；然后，通过定量指标评价所构建的模型的优劣。

(4) 根据(1)的wine_quality数据集处理的结果，采用2种不同的回归算法分别构建回归模型；然后，通过定量指标评价所构建的模型的优劣。

三、实验步骤 （包含算法简介）

K-means

KMeans算法既是一种无监督的学习方式，又是一种聚类方法。

它的主要实现步骤如下：

首先对数据集当中的点，随机设置K个特征空间内的点作为初始的聚类中心点。然后对于其它的每个点，分别计算到它们到K个中心的距离（即：每个点都要经过k次计算），每个点经过k次计算之后，在这k个计算结果当中选择最近的一个聚类中心点作为标记类别。接着对着标记的聚类中心之后，重新计算出每个聚类的新中心点（平均值），并且与旧的中心点作比较，如果计算得出的新中心点与原中心点一样，那么结束，否则重新进行第二步过程。

注：在算点与点之间的距离的时候，这个距离可以是欧氏距离，可以是曼哈顿距离，也可以是余弦距离。

算法流程图如下：

KMeans算法的主要优缺点有：

优点：

算法易于理解

缺点：

需要用户提前输入k值；

聚类结果对初始类簇中心的选取较为敏感；
容易陷入局部最优；
只能发现球型类簇；

(1)数据集处理：

1.使用pandas库分别读取wine数据集和wine_quality数据集：

2.将wine数据集和wine_quality数据集的数据和标签拆分：

通过打印读取出来的数据集，发现wine数据集的标签为Class,而wine_quality数据集的标签为quality，所以可以进行拆分得到数据和标签。

3.将wine数据集和wine_quality数据集划分为训练集和测试集，这里用到了sklearn.model_selection模板里面的train_test_split函数，它的返回结果根据它传入的数据的组数，如果传入两组数据，那么就返回四组数据，传入一组数据，那么就返回两组数据。

4.标准化wine数据集和wine_quality数据集：

先生成标准化模型，然后对wine数据集的训练集进行标准化，再用训练集训练的模型对测试集标准化，wine_quality数据集的操作也是如此。

5.对wine数据集和wine_quality数据集进行PCA降维，直接降到二维：

先生成降维模型，该模型的n_components等于2，然后对步骤四中生成的标准化的wine训练集进行PCA降维，再用训练集降维的模型对测试集进行降维，对wine_quality数据集的操作也是如此。

1. 聚类过程：1.根据上面数据处理的结果，先构建聚类数目为3的K-Means模型，这时候选取的数据集为经过PCA降维之后的二维wine训练集：wine_trainPca，

从图中可以看出当聚类数目为3类时，散点图基本上可以分为三种颜色的点。

2.对比真实标签和聚类标签求取FMI，并且在聚类数目为2到10类时，根据所求得FMI确定最优聚类数目。

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每一个聚类数目下的FMI如图：

经过FMI计算发现，当聚类数目为3类时，它的FMI最大，此时为最优聚类数目。

3.根据模型的轮廓系数，绘制轮廓系数折线图，确定最优聚类数目：

根据样本输入进来的wine_trainPca数据集和这个数据集在每一个聚类数目下的标签，求取出样本在每一个聚类数目下的平均轮廓系数。

当聚类数目在2至10之间的时候，样本的平均轮廓系数的折线图为：

从图中可以看出，降维之后的数据集在聚类数目为3的时候，畸变程度最大，聚类效果最好。

4.求取 Calinski-Harabasz指数,确定最优聚类数：

​​​​​​​​​​​​​​

根据求取的Calinski-Harabasz指数，在这里聚3类和聚7类的效果都比较好，但是考虑到它是不需要真实值的，所有用它来评估最优聚类数目有点不可靠。

5.构建的模型的整体评估，确定最终的最优聚类数目：

通过分析FMI评价分值，可以看出wine数据集分为3类的时候其FMI值最高，故聚类为3类的时候wine数据集K-Means聚类效果最好

通过分析轮廓系数折线图，可以看出在wine数据集在分为3类的时候，其平均畸变程度最大，故亦可知聚类为3类的时候效果最佳

通过分析Calinski-Harabasz指数，我们发现其数值大体随着聚类的种类的增加而变多，最大值出现在聚类为7类的时候，考虑到Calinski-Harabasz指数是不需要真实值的评估方法，其可信度不如FMI评价法，故这里有理由相信这里的Calinski-Harabasz指数评价结果是存在异常的。

综上分析，wine数据集的K-Means聚类为3类的时候效果最好。

代码如下：

1. import pandas as pd  
   from sklearn.model_selection import train_test_split  
   from sklearn.preprocessing import StandardScaler  
   from sklearn.decomposition import PCA  
   from sklearn.cluster import KMeans  
   from sklearn.metrics import fowlkes_mallows_score  
   from sklearn.metrics import silhouette_score  
   from sklearn.metrics import calinski_harabasz_score  
   import matplotlib.pyplot as plt  
     
   data1 = pd.read_csv('./wine.csv')  
   data2 = pd.read_csv('./wine_quality.csv',sep = ';')  
   print(data1)  
   print(data2)  
     
   wine_data = data1.iloc[:,1:]  
   wine_target = data1['Class']  
   winequality_data = data2.iloc[:,:-1]  
   winequality_target = data2['quality']  
     
   wine_data_train, wine_data_test, wine_target_train, wine_target_test = train_test_split(wine_data, wine_target,test_size=0.1, random_state=6)  
   winequality_data_train, winequality_data_test, winequality_target_train, winequality_target_test = train_test_split(winequality_data, winequality_target, test_size=0.1, random_state=6)  
     
   stdScale1 = StandardScaler().fit(wine_data_train) #生成规则(建模)  
   wine_trainScaler = stdScale1.transform(wine_data_train)#对训练集进行标准化  
   wine_testScaler = stdScale1.transform(wine_data_test)#用训练集训练的模型对测试集标准化  
     
   stdScale2 = StandardScaler().fit(winequality_data_train)  
   winequality_trainScaler = stdScale2.transform(winequality_data_train)  
   winequality_testScaler = stdScale2.transform(winequality_data_test)  
     
   pca1 = PCA(n_components=2).fit(wine_trainScaler)  
   wine_trainPca = pca1.transform(wine_trainScaler)  
   wine_testPca = pca1.transform(wine_testScaler)  
     
   pca2 = PCA(n_components=2).fit(winequality_trainScaler)  
   winequality_trainPca = pca2.transform(winequality_trainScaler)  
   winequality_testPca = pca2.transform(winequality_testScaler)  
     
   #在聚类数目为2到10时，确定最优聚类数目  
   for i in range(2,11):  
       kmeans = KMeans(n_clusters=i,random_state=32).fit(wine_trainPca)  
         
       score = fowlkes_mallows_score(wine_target_train,kmeans.labels_)  
         
       print('wine聚%d类FMI评价分为：%f'%(i,score))  
     
   #聚类为3的模型  
   kmeans = KMeans(n_clusters=3,random_state=32).fit(wine_trainPca)  
   plt.figure(figsize = (10,6))  
   plt.scatter(wine_trainPca[:,0],wine_trainPca[:,1],c = kmeans.labels_)  
     
   #使用轮廓系数评估模型的优缺点，当聚类数目为3时，畸变程度最大，聚类效果最好  
   silhouettteScore = []  
   for i in range(2,11):  
       kmeans = KMeans(n_clusters = i,random_state=1).fit(wine_trainPca)  
       score = silhouette_score(wine_trainPca,kmeans.labels_)  
       silhouettteScore.append(score)  
   plt.figure(figsize=(10,6))  
   plt.plot(range(2,11),silhouettteScore,linewidth=1.5, linestyle="-")  
     
     
   #求取 Calinski-Harabasz指数,确定最优聚类数  
   for i in range(2,11):  
       kmeans = KMeans(n_clusters = i,random_state=1).fit(wine_trainPca)  
       score = calinski_harabasz_score(wine_trainPca,kmeans.labels_)  
       print('wine数据集聚%d类calinski_harabasz指数为：%f'%(i,score))  
     
     
   plt.show()