从拉普拉斯矩阵说到谱聚类

1、拉普拉斯矩阵
1.1 、Laplacian matrix的定义

拉普拉斯矩阵（Laplacian matrix)），也称为基尔霍夫矩阵, 是表示图的一种矩阵。给定一个有n个顶点的图，其拉普拉斯矩阵被定义为:

其中为图的度矩阵，为图的邻接矩阵。

举个例子。给定一个简单的图，如下：

把此“图”转换为邻接矩阵的形式，即为：

把的每一列元素加起来得到个数，然后把它们放在对角线上（其它地方都是零），组成一个的对角矩阵，记为度矩阵，如下图所示：

根据拉普拉斯矩阵的定义，可得拉普拉斯矩阵 为：

介绍 拉普拉斯矩阵的性质之前，首先定义两个概念，如下：

①对于邻接矩阵，定义图中A子图与B子图之间所有边的权值之和如下：

其中，定义为节点到节点的权值，如果两个节点不是相连的，权值为零。
②与某结点邻接的所有边的权值和定义为该顶点的度d，多个d 形成一个度矩阵 （对角阵）

拉普拉斯矩阵 具有如下性质：

• 是对称半正定矩阵；

• ，即 的最小特征值是0，相应的特征向量是 。证明： * = ( - ) * = 0 = 0 * 。（此外，别忘了，之前特征值和特征向量的定义：若数字和非零向量满足，则为的一个特征向量，是其对应的特征值）。

• 有n个非负实特征值
  

• 且对于任何一个属于实向量，有以下式子成立

其中，，，。

下面，来证明一下上述结论，如下：

2、谱聚类

所谓聚类（Clustering），就是要把一堆样本合理地分成两份或者K份。从图论的角度来说，聚类的问题就相当于一个图的分割问题。即给定一个图G = (V, E)，顶点集V表示各个样本，带权的边表示各个样本之间的相似度，谱聚类的目的便是要找到一种合理的分割图的方法，使得分割后形成若干个子图，连接不同子图的边的权重（相似度）尽可能低，同子图内的边的权重（相似度）尽可能高。物以类聚，人以群分，相似的在一块儿，不相似的彼此远离。

至于如何把图的顶点集分割/切割为不相交的子图有多种办法，如

1. cut/Ratio Cut

2. Normalized Cut

3. 不基于图，而是转换成SVD能解决的问题

目的是为了要让被割掉各边的权值和最小，因为被砍掉的边的权值和越小，代表被它们连接的子图之间的相似度越小，隔得越远，而相似度低的子图正好可以从中一刀切断。

本文重点阐述上述的第一种方法，简单提一下第二种，第三种本文不做解释，有兴趣的可以参考文献H. Zha, C. Ding, M. Gu, X. He, and H.D. Simon. Spectral relaxation for K-means clustering. Advances in Neural Information Processing Systems 14 (NIPS 2001). pp. 1057-1064, Vancouver, Canada. Dec. 2001。

2.1、 相关定义

为了更好的把谱聚类问题转换为图论问题，定义如下概念（有些概念之前已定义，权当回顾下）：

• 无向图，顶点集V表示各个样本，带权的边表示各个样本之间的相似度

• 与某结点邻接的所有边的权值和定义为该顶点的度d，多个d 形成一个度矩阵（对角阵）

• 邻接矩阵，A子图与B子图之间所有边的权值之和定义如下：

  其中，定义为节点到节点的权值，如果两个节点不是相连的，权值为零。

• 相似度矩阵的定义。相似度矩阵由权值矩阵得到，实践中一般用高斯核函数（也称径向基函数核）计算相似度，距离越大，代表其相似度越小。
  

• 子图A的指示向量如下：
  

因此，如何切割图则成为问题的关键。换言之，如何切割才能得到最优的结果呢？

举个例子，如果用一张图片中的所有像素来组成一个图 ，并把（比如，颜色和位置上）相似的节点连接起来，边上的权值表示相似程度，现在要把图片分割为几个区域（或若干个组），要求是分割所得的 Cut 值最小，相当于那些被切断的边的权值之和最小，而权重比较大的边没有被切断。因为只有这样，才能让比较相似的点被保留在了同一个子图中，而彼此之间联系不大的点则被分割了开来。

设为图的几个子集（它们没有交集） ，为了让分割的Cut 值最小，谱聚类便是要最小化下述目标函数：

其中k表示分成k个组， 表示第i个组，表示 的补集，表示第 组与第组之间的所有边的权重之和（换言之，如果要分成K个组，那么其代价就是进行分割时去掉的边的权值的总和）。

为了让被切断边的权值之和最小，便是要让上述目标函数最小化。但很多时候，最小化cut 通常会导致不好的分割。以分成2类为例，这个式子通常会将图分成了一个点和其余的n-1个点。如下图所示，很明显，最小化的smallest cut不是最好的cut，反而把{A、B、C、H}分为一边，{D、E、F、G}分为一边很可能就是最好的cut：

为了让每个类都有合理的大小，目标函数尽量让A1,A2...Ak 足够大。改进后的目标函数为：

其中|A|表示A组中包含的顶点数目。

或：

其中，。

2.3、最小化RatioCut 与最小化 等价

下面，咱们来重点研究下RatioCut 函数。

目标函数：
定义向量，且：

根据之前得到的拉普拉斯矩阵矩阵的性质，已知

现在把的定义式代入上式，我们将得到一个非常有趣的结论！推导过程如下：

是的，我们竟然从推出了RatioCut，换句话说，拉普拉斯矩阵L 和我们要优化的目标函数RatioCut 有着密切的联系。更进一步说，因为是一个常量，所以最小化RatioCut，等价于最小化。

同时，因单位向量的各个元素全为1，所以直接展开可得到约束条件：且，具体推导过程如下：

最终我们新的目标函数可以由之前的，写成：

其中，，且因，所以有：f'f = n（注：f是列向量的前提下，f'f是一个值，实数值，ff'是一个N*N的矩阵）。

继续推导前，再次提醒特征向量和特征值的定义：

• 若数字和非零向量满足，则为的一个特征向量，是其对应的特征值。

假定 = ，此刻，是特征值， 是 的特征向量。两边同时左乘，得到 = ，而f'f=n，其中n为图中顶点的数量之和，因此 = n，因n是个定值，所以要最小化，相当于就是要最小化。因此，接下来，我们只要找到 的最小特征值及其对应的特征向量即可。

但到了这关键的最后一步，咱们却遇到了一个比较棘手的问题，即由之前得到的拉普拉斯矩阵的性质“最小的特征值为零，并且对应的特征向量正好为”可知：其不满足的条件，因此，怎么办呢？根据论文“A Tutorial on Spectral Clustering”中所说的Rayleigh-Ritz 理论，我们可以取第2小的特征值，以及对应的特征向量。

更进一步，由于实际中，特征向量 里的元素是连续的任意实数，所以可以根据 是大于0，还是小于0对应到离散情况下的，决定 是取，还是取。而如果能求取 的前K个特征向量，进行K-means聚类，得到K个簇，便从二聚类扩展到了K 聚类的问题。

而所要求的这前K个特征向量就是拉普拉斯矩阵的特征向量（计算拉普拉斯矩阵的特征值，特征值按照从小到大顺序排序，特征值对应的特征向量也按照特征值递增的顺序排列，取前K个特征向量，便是我们所要求的前K个特征向量）！

所以，问题就转换成了：求拉普拉斯矩阵的前K个特征值，再对前K个特征值对应的特征向量进行 K-means 聚类。而两类的问题也很容易推广到 k 类的问题，即求特征值并取前 K 个最小的，将对应的特征向量排列起来，再进行 K-means聚类。两类分类和多类分类的问题，如出一辙。

就这样，因为离散求解很困难，但RatioCut 巧妙地把一个NP难度的问题转换成拉普拉斯矩阵特征值（向量）的问题，将离散的聚类问题松弛为连续的特征向量，最小的系列特征向量对应着图最优的系列划分方法。剩下的仅是将松弛化的问题再离散化，即将特征向量再划分开，便可以得到相应的类别。不能不说妙哉！

2.4、谱聚类算法过程

综上可得谱聚类的算法过程如下：

1. 根据数据构造一个Graph，Graph的每一个节点对应一个数据点，将各个点连接起来（随后将那些已经被连接起来但并不怎么相似的点，通过cut/RatioCut/NCut 的方式剪开），并且边的权重用于表示数据之间的相似度。把这个Graph用邻接矩阵的形式表示出来，即为 。

2. 把的每一列元素加起来得到个数，把它们放在对角线上（其他地方都是零），组成一个的对角矩阵，记为度矩阵，并把 - 的结果记为拉普拉斯矩阵。

3. 求出的前个特征值（前个指按照特征值的大小从小到大排序得到），以及对应的特征向量。

4. 把这个特征（列）向量排列在一起组成一个的矩阵，将其中每一行看作维空间中的一个向量，并使用 K-means 算法进行聚类。聚类的结果中每一行所属的类别就是原来 Graph 中的节点亦即最初的各数据点分别所属的类别。

或许你已经看出来，谱聚类的基本思想便是利用样本数据之间的相似矩阵（拉普拉斯矩阵）进行特征分解（ 通过Laplacian Eigenmap 的降维方式降维），然后将得到的特征向量进行 K-means聚类。

此外，谱聚类和传统的聚类方法（例如 K-means）相比，谱聚类只需要数据之间的相似度矩阵就可以了，而不必像K-means那样要求数据必须是 N 维欧氏空间中的向量。

—THE END—

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