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기술

스펙트럴 군집화

스펙트럴 군집화기술
영문명
Spectral clustering
자료 표현
표본 사이의 유사도 그래프
핵심 계산
라플라시안의 고유벡터
주요 설정
군집 수와 그래프 구성 방식
스펙트럴 군집화는 자료 사이의 유사성을 그래프로 표현하고, 그래프 라플라시안의 고유벡터로 얻은 공간에서 군집을 구하는 방법이다. 중심점까지의 거리만으로 설명하기 어려운 연결 구조를 분석하는 데 쓰인다.

연결 구조로 구분하기

네 점 A,B,C,D에서 A와 B 사이, C와 D 사이에만 가중치 1인 연결이 있다고 하자. 자기 연결을 제외한 각 점의 차수는 1이다. 연결이 두 덩어리로 나뉘므로 (1,1,0,0)과 (0,0,1,1)은 비정규화 라플라시안 L=D-W의 고유값 0에 대응한다. 여기서 W는 연결 가중치 행렬, D는 차수를 대각에 놓은 행렬이다. 이 예제에서는 고유벡터가 연결 성분을 나타내는 모습을 직접 볼 수 있다.

실제 자료의 임베딩

현실에서는 두 집단 사이에도 약한 연결이 남을 수 있다. 스펙트럴 군집화는 정규화된 라플라시안 등의 고유벡터를 이용해 각 표본을 새 좌표로 표현한다. 그 좌표에서 K 평균 같은 방법으로 군집을 배정할 수 있다. 원래 좌표에서 중심을 정하는 과정과 연결 관계를 새 좌표에 반영하는 과정은 구별된다.

유사도와 거리

가까운 표본끼리 연결하거나 거리에 따라 감소하는 함수를 사용해 가중치를 만들 수 있다. 거리가 클수록 값이 커지는 거리 행렬을 그대로 유사도 행렬로 넣으면 의도와 반대가 될 수 있다. 가까운 이웃의 수나 커널의 폭을 바꾸면 그래프가 끊기거나 서로 다른 집단이 강하게 연결될 수 있으므로 결과를 함께 살핀다.

평가와 한계

군집 번호 자체에는 고유한 의미가 없으며 초기화에 따라 번호나 결과가 달라질 수 있다. 군집 수, 입력 변수의 단위, 그래프 구성에 대한 민감도를 확인한다. 비선형 모양을 다룰 수 있다는 이유만으로 항상 다른 방법보다 우수한 것은 아니다. 조밀한 표본 간 행렬을 구성할 때는 표본 수가 커질수록 저장과 고유값 계산의 부담도 커진다.

관련 문서

군집화 / 고유값 / 고유벡터 / 행렬 / 그래프 / DBSCAN / 주성분 분석 / 기계 학습