距离和相似度度量.doc

在数据分析和数据挖掘的过程中,我们经常需要知道个体间差异的大小,进而评价个体的相似性和类别。最常见的是数据分析中的相关分析,数据挖掘中的分类和聚类算法,如K最近邻(KNN)和K均值(K-Means)。当然衡量个体差异的方法有很多,最近查阅了相关的资料,这里整理罗列下。
为了方便下面的解释和举例,先设定我们要比较X个体和Y个体间的差异,它们都包含了N个维的特征,即X=(x1, x2, x3, … xn),Y=(y1, y2, y3, … yn)。下面来看看主要可以用哪些方法来衡量两者的差异,主要分为距离度量和相似度度量。
距离度量
距离度量(Distance)用于衡量个体在空间上存在的距离,距离越远说明个体间的差异越大。
欧几里得距离(Euclidean Distance)
欧氏距离是最常见的距离度量,衡量的是多维空间中各个点之间的绝对距离。公式如下:
因为计算是基于各维度特征的绝对数值,所以欧氏度量需要保证各维度指标在相同的刻度级别,比如对身高(cm)和体重(kg)两个单位不同的指标使用欧式距离可能使结果失效。
明可夫斯基距离(Minkowski Distance)
明氏距离是欧氏距离的推广,是对多个距离度量公式的概括性的表述。公式如下:
这里的p值是一个变量,当p=2的时候就得到了上面的欧氏距离。
曼哈顿距离(Manhattan Distance)
曼哈顿距离来源于城市区块距离,是将多个维度上的距离进行求和后的结果,即当上面的明氏距离中p=1时得到的距离度量公式,如下:
切比雪夫距离(Chebyshev Distance)
切比雪夫距离起源于国际象棋中国王的走法,我们知道国际象棋国王每次只能往周围的8格中走一步,那么如果要从棋盘中A格(x1, y1)走到B格(x2, y2)最少需要走几步?扩展到多维空间,其实切比雪夫距离就是当p趋向于无穷大时的明氏距离:
其实上面的曼哈顿距离、欧氏距离和切比雪夫距离都是明可夫斯基距离在特殊条件下的应用。
马哈拉诺比斯距离(Mahalanobis Distance)
既然欧几里得距离无法忽略指标度量的差异,所以在使用欧氏距离之前需要对底层指标进行数据的标准化,而基于各指标维度进行标准化后再使用欧氏距离就衍生出来另外一个距离度量——马哈拉诺比斯距离(Mahalanobis Distance),简称马氏距离。
相似度度量
相似度度量(Similarity),即计算个体间的相似程度,与距离度量相反,相似度度量的值越小,说明个体间相似度越小,差异越大。
向量空间余弦相似度(Cosine Similarity)
余弦相似度用向量空间中两个向量夹角的余弦值作为衡量两个个体间差异的大小。相比距离度量,余弦相似度更加注重两个向量在方向上的差异,而非距离或长度上。公式如下:
皮尔森相关系数(Pearson Correlation Coefficient)
即相关分析中的相关系数r,分别对X和Y基于自身总体标准化后计算空间向量的余弦夹角。公式如下:
ard相似系数(ard Coefficient)
ard系数主要用于计算符号度量或布尔值度量的个体间的相似度,因为个体的特征属性都是由符号度量或者布尔值标识,因此无法衡量差异具体值的大小,只能获得“是否相同”这个结果