HMRF半监督近似核k-means算法

摘要：

信息技术的发展催生了海量数据.聚类有助于发现数据的内在联系,从中挖掘有价值的信息.在对数据进行分析时,容易获得一些关于数据的背景知识,使用这些有限的先验信息指导聚类,可以显著改善聚类的结果.基于隐马尔可夫随机场(Hidden Markov Random Fields,HMRF)的半监督聚类使用成对约束作为监督信息,虽然在很多应用场景中有较好的聚类效果,但是其时间和空间复杂度很高,无法满足大规模数据处理的需要.针对该问题,文中首先分析了HMRF半监督聚类与核k-means的数学联系,使用矩阵的迹将两者的目标函数统一起来;然后,为了降低HMRF半监督聚类的复杂度,提出HMRF半监督近似核k-means算法(HMRF semi-supervised Approximate Kernel K-Means,HMRF-AKKM),通过采样构造近似核矩阵,使用近似核k-means优化聚类的目标函数;最后,在基准数据集上将HMRF-AKKM算法与相关的聚类算法进行对比,分析不同算法在实验中的聚类表现.实验结果表明,在相同的聚类任务上,HMRF-AKKM算法与原始的HMRF半监督聚类具有类似的聚类质量,但是HMRF-AKKM算法的聚类时间更短,说明HMRF-AKKM算法继承了HMRF半监督聚类与近似核k-means的优点.该算法一方面可以充分利用成对约束信息改善聚类质量,另一方面通过采样和矩阵近似提高了聚类效率,而且聚类质量和聚类效率可以通过调节采样比例和成对约束数量来平衡.因此,所提出的HMRF-AKKM算法具有良好的可扩展性,适合处理大规模非线性数据的聚类问题.

关键词：半监督聚类、HMRF模型、近似核k-means、矩阵的迹、成对约束

所属期刊栏目：46

分类号：TP391(计算技术、计算机技术)

资助基金：江苏省高校自然科学研究面上项目18KJB520009,16KJB520008;国家自然科学基金青年基金项目61906077,61601202;江苏省自然科学基金青年基金项目BK20190838,BK20170558

在线出版日期：2020-01-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：31-37