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C++中聚類算法的數據壓縮與解壓

發布時間:2024-11-11 09:45:54 來源:億速云 閱讀:79 作者:小樊 欄目:編程語言

在C++中,聚類算法可以用于數據壓縮,因為它們可以將相似的數據點分組在一起,從而減少數據集中的冗余。以下是一個簡單的例子,展示了如何使用K-means聚類算法進行數據壓縮和解壓:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cmath>
#include <random>
#include <algorithm>

// K-means聚類算法
std::vector<std::vector<double>> kMeans(const std::vector<std::vector<double>>& data, int k, int maxIterations = 100) {
    int n = data.size();
    std::vector<int> labels(n, -1);
    std::vector<std::vector<double>> centroids(k, std::vector<double>(data[0].size(), 0));
    std::vector<std::vector<double>> clusterCentroids(k, std::vector<double>(data[0].size(), 0));

    // 隨機初始化質心
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::shuffle(data.begin(), data.end(), gen);
    for (int i = 0; i < k; ++i) {
        centroids[i] = data[i];
    }

    for (int i = 0; i < maxIterations; ++i) {
        std::vector<std::vector<double>> clusters(k);

        // 將數據點分配到最近的質心
        for (int j = 0; j < n; ++j) {
            double minDist = std::numeric_limits<double>::max();
            int minIndex = -1;
            for (int l = 0; l < k; ++l) {
                double dist = 0;
                for (int m = 0; m < data[j].size(); ++m) {
                    dist += pow(data[j][m] - centroids[l][m], 2);
                }
                if (dist < minDist) {
                    minDist = dist;
                    minIndex = l;
                }
            }
            labels[j] = minIndex;
            clusters[minIndex].push_back(data[j]);
        }

        // 更新質心
        for (int j = 0; j < k; ++j) {
            double sum = 0;
            for (const auto& point : clusters[j]) {
                for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                    sum += point[m];
                }
            }
            for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                centroids[j][m] = sum / clusters[j].size();
            }
        }
    }

    // 計算最終的質心
    std::vector<std::vector<double>> finalCentroids;
    for (int i = 0; i < k; ++i) {
        if (!clusters[i].empty()) {
            double sum = 0;
            for (const auto& point : clusters[i]) {
                for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                    sum += point[m];
                }
            }
            for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                finalCentroids[i][m] = sum / clusters[i].size();
            }
        }
    }

    return finalCentroids;
}

// 數據壓縮
std::vector<std::vector<double>> compressData(const std::vector<std::vector<double>>& data, int k) {
    std::vector<std::vector<double>> centroids = kMeans(data, k);
    std::vector<std::vector<double>> compressedData;

    for (const auto& point : data) {
        double minDist = std::numeric_limits<double>::max();
        int minIndex = -1;
        for (int i = 0; i < centroids.size(); ++i) {
            double dist = 0;
            for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                dist += pow(point[m] - centroids[i][m], 2);
            }
            if (dist < minDist) {
                minDist = dist;
                minIndex = i;
            }
        }
        compressedData.push_back(centroids[minIndex]);
    }

    return compressedData;
}

// 數據解壓
std::vector<std::vector<double>> decompressData(const std::vector<std::vector<double>>& compressedData, const std::vector<std::vector<double>>& originalData, int k) {
    std::vector<std::vector<double>> centroids = kMeans(originalData, k);
    std::vector<std::vector<double>> decompressedData;

    for (const auto& point : compressedData) {
        double minDist = std::numeric_limits<double>::max();
        int minIndex = -1;
        for (int i = 0; i < centroids.size(); ++i) {
            double dist = 0;
            for (int m = 0; m < point.size(); ++m) {
                dist += pow(point[m] - centroids[i][m], 2);
            }
            if (dist < minDist) {
                minDist = dist;
                minIndex = i;
            }
        }
        decompressedData.push_back(originalData[minIndex]);
    }

    return decompressedData;
}

int main() {
    std::vector<std::vector<double>> data = {{1, 2}, {2, 3}, {3, 4}, {4, 5}, {5, 6}};
    int k = 2;

    // 數據壓縮
    std::vector<std::vector<double>> compressedData = compressData(data, k);
    std::cout << "Compressed data:" << std::endl;
    for (const auto& point : compressedData) {
        std::cout << "[" << point[0] << ", " << point[1] << "]" << std::endl;
    }

    // 數據解壓
    std::vector<std::vector<double>> decompressedData = decompressData(compressedData, data, k);
    std::cout << "Decompressed data:" << std::endl;
    for (const auto& point : decompressedData) {
        std::cout << "[" << point[0] << ", " << point[1] << "]" << std::endl;
    }

    return 0;
}

這個例子中,我們首先使用K-means聚類算法對數據進行壓縮,將相似的數據點分組在一起。然后,我們可以使用相同的算法對壓縮后的數據進行解壓,恢復原始數據。請注意,這個例子僅用于演示目的,實際應用中可能需要根據具體需求進行調整。

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