聚类后的分析：推断簇的类型

知识点：

1. 推断簇含义的2个思路：（1）先选特征（2）后选特征
2. 可视化图形后，借助ai定义簇的含义
3. 科研逻辑闭环：通过精度，判断特征工程价值（跑一遍监督学习）

# 如何分析聚类簇的含义？

1.将聚类特征簇作为标签，进行模型训练（预测）

2.使用shap库分析哪些特征对聚类的簇贡献最大

3.交给AI分析图表，总结簇的含义

作业：参考示例代码对心脏病数据集采取类似操作，并且评估特征工程后模型效果有无提升。

（1）前期准备

import pandas as pd    #用于数据处理和分析，可处理表格数据。
import numpy as np     #用于数值计算，提供了高效的数组操作。
import matplotlib.pyplot as plt    #用于绘制各种类型的图表
import seaborn as sns   #基于matplotlib的高级绘图库，能绘制更美观的统计图形。
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
 
 # 设置中文字体（解决中文显示问题）
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # Windows系统常用黑体字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False    # 正常显示负号
data = pd.read_csv(r'E:\cjx\2.【打卡】python训练营\python60-days-challenge-master\heart.csv')    #读取数据
data.head()

# 获取数值型变量列、也是连续特征列
continuous_features = data.select_dtypes(include=['int64', 'float64']).columns.tolist() 


from sklearn.model_selection import train_test_split
X = data.drop(['target'], axis=1)  # 特征，axis=1表示按列删除
y = data['target'] # 标签

import numpy as np
import pandas as pd

from sklearn.cluster import KMeans, DBSCAN, AgglomerativeClustering
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.decomposition import PCA
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

# 标准化数据（聚类前通常需要标准化）
scaler = StandardScaler() 
X_scaled = scaler.fit_transform(X)  # X是划分数据集的特征集

（2）KMeans聚类

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.metrics import silhouette_score, calinski_harabasz_score, davies_bouldin_score
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

# 评估不同 k 值下的指标
k_range = range(2, 11)  # 测试 k 从 2 到 10
inertia_values = []
silhouette_scores = []
ch_scores = []
db_scores = []

for k in k_range:
    kmeans = KMeans(n_clusters=k, random_state=42)
    kmeans_labels = kmeans.fit_predict(X_scaled)

    inertia_values.append(kmeans.inertia_)  # 惯性（肘部法则）

    silhouette = silhouette_score(X_scaled, kmeans_labels)  # 轮廓系数
    silhouette_scores.append(silhouette)

    ch = calinski_harabasz_score(X_scaled, kmeans_labels)  # CH 指数
    ch_scores.append(ch)
    
    db = davies_bouldin_score(X_scaled, kmeans_labels)  # DB 指数
    db_scores.append(db)
    print(f"k={k}, 惯性: {kmeans.inertia_:.2f}, 轮廓系数: {silhouette:.3f}, CH 指数: {ch:.2f}, DB 指数: {db:.3f}")

    # 绘制评估指标图
plt.figure(figsize=(15, 10))

# 肘部法则图（Inertia）
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(k_range, inertia_values, marker='o')
plt.title('肘部法则确定最优聚类数 k（惯性，越小越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('惯性')
plt.grid(True)

# 轮廓系数图
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(k_range, silhouette_scores, marker='o', color='orange')
plt.title('轮廓系数确定最优聚类数 k（越大越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('轮廓系数')
plt.grid(True)

# CH 指数图
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(k_range, ch_scores, marker='o', color='green')
plt.title('Calinski-Harabasz 指数确定最优聚类数 k（越大越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('CH 指数')
plt.grid(True)

# DB 指数图
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(k_range, db_scores, marker='o', color='red')
plt.title('Davies-Bouldin 指数确定最优聚类数 k（越小越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('DB 指数')
plt.grid(True)

plt.tight_layout()
plt.show()

根据图表，选取k值

# 根据图表，选择 k 值
selected_k = 4

# 使用选择的 k 值进行 KMeans 聚类
kmeans = KMeans(n_clusters=selected_k, random_state=42)
kmeans_labels = kmeans.fit_predict(X_scaled)
X['KMeans_Cluster'] = kmeans_labels

# 使用 PCA 降维到 2D 进行可视化
pca = PCA(n_components=2)
X_pca = pca.fit_transform(X_scaled)

# KMeans 聚类结果可视化
plt.figure(figsize=(6, 5))
sns.scatterplot(x=X_pca[:, 0], y=X_pca[:, 1], hue=kmeans_labels, palette='viridis')
plt.title(f'KMeans Clustering with k={selected_k} (PCA Visualization)')
plt.xlabel('PCA Component 1')
plt.ylabel('PCA Component 2')
plt.show()

# 打印 KMeans 聚类标签的前几行
print(f"KMeans Cluster labels (k={selected_k}) added to X:")
print(X[['KMeans_Cluster']].value_counts())

（3）shap库分析

# 加入聚类特征，进行模型训练，分析哪些特征对聚类的簇贡献最大

x1= X.drop('KMeans_Cluster',axis=1) # 删除聚类标签列
y1 = X['KMeans_Cluster']
# 构建随机森林，用shap重要性来筛选重要性
import shap
import numpy as np
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier  # 随机森林分类器
model = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)  # 随机森林模型
model.fit(x1, y1)  # 训练模型,此时无需在意准确率 直接全部数据用来训练了

shap.initjs()
# 初始化 SHAP 解释器
explainer = shap.TreeExplainer(model)
shap_values = explainer.shap_values(x1) # 这个计算耗时
shap_values.shape # 第一维是样本数，第二维是特征数，第三维是类别数

# --- 1. SHAP 特征重要性条形图 (Summary Plot - Bar) ---
print("--- 1. SHAP 特征重要性条形图 ---")
shap.summary_plot(shap_values[:, :, 0], x1, plot_type="bar",show=False)  #  这里show=False表示不直接显示图形,这样用plt来修改元素，不然就直接输出了
plt.title("SHAP Feature Importance (Bar Plot)")
plt.show()