机器学习中的相似性度量

更新于 2024-04-10 分类： Research 阅读次数：本文字数： 3.4k 阅读时长 ≈ 12 分钟

在做分类时常常需要估算不同样本之间的相似性度量(Similarity Measurement)，这时通常采用的方法就是计算样本间的“距离”(Distance)。采用什么样的方法计算距离是很讲究，甚至关系到分类的正确与否。

常见的距离算法和相似度计算方法-Python

机器学习两种距离——欧式距离和马氏距离。

I. 欧氏距离

欧氏距离（Euclidean distance）也称欧几里得度量、欧几里得度量，是一个通常采用的距离定义，它是在m维空间中两个点之间的真实距离。在二维和三维空间中的欧氏距离的就是两点之间的距离。

两个n维向量a(x11,x12,…,x1n)与 b(x21,x22,…,x2n)间的欧氏距离：

缺点：就大部分统计问题而言，欧氏距离是不能令人满意的。（每个坐标对欧氏距离的贡献是同等的。当坐标表示测量值时，它们往往带有大小不等的随机波动，在这种情况下，合理的方法是对坐标加权，使变化较大的坐标比变化较小的坐标有较小的权系数，这就产生了各种距离。当各个分量为不同性质的量时，“距离”的大小与指标的单位有关。它将样品的不同属性（即各指标或各变量）之间的差别等同看待，这一点有时不能满足实际要求。没有考虑到总体变异对距离远近的影响。

Matlab计算距离主要使用pdist函数。若X是一个M×N的矩阵，则pdist(X)将X矩阵M行的每一行作为一个N维向量，然后计算这M个向量两两间的距离。

例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的欧式距离
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2]
D = pdist(X,'euclidean')
结果：
D =
    1.0000    2.0000    2.2361

II. 标准化欧氏距离

标准化欧氏距离 (Standardized Euclidean distance )，标准化欧氏距离是针对简单欧氏距离的缺点而作的一种改进方案。标准欧氏距离的思路：既然数据各维分量的分布不一样，好吧！那我先将各个分量都“标准化”到均值、方差相等吧。均值和方差标准化到多少呢？

假设样本集X的均值(mean)为m，标准差(standard deviation)为s，那么X的“标准化变量”表示为：而且标准化变量的数学期望为0，方差为1。因此样本集的标准化过程(standardization)用公式描述就是：

经过简单的推导就可以得到两个n维向量a(x11,x12,…,x1n)与 b(x21,x22,…,x2n)间的标准化欧氏距离的公式：

如果将方差的倒数看成是一个权重，这个公式可以看成是一种加权欧氏距离(Weighted Euclidean distance)。

例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的标准化欧氏距离 (假设两个分量的标准差分别为0.5和1)
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2]
D = pdist(X, 'seuclidean',[0.5,1])
结果：
D =
    2.0000    2.0000    2.8284

III. 马氏距离

马氏距离(Mahalanobis distance)是由印度统计学家马哈拉诺比斯提出的，表示数据的协方差距离。为两个服从同一分布并且其协方差矩阵为Σ的随机变量与的差异程度：如果协方差矩阵为单位矩阵，那么马氏距离就简化为欧氏距离，如果协方差矩阵为对角阵，则其也可称为正规化的欧氏距离。它是一种有效的计算两个未知样本集的相似度的方法。在绝大多数情况下，马氏距离是可以顺利计算的，但是马氏距离的计算是不稳定的，不稳定的来源是协方差矩阵，这也是马氏距离与欧式距离的最大差异之处。

有M个样本向量X1~Xm，协方差矩阵记为S，均值记为向量μ，则其中样本向量X到u的马氏距离表示为：

而其中向量Xi与Xj之间的马氏距离定义为：

若协方差矩阵是单位矩阵（各个样本向量之间独立同分布），则公式就成了欧氏距离。若协方差矩阵是对角矩阵，公式变成了标准化欧氏距离。

优点：它不受量纲的影响，两点之间的马氏距离与原始数据的测量单位无关。（它考虑到各种特性之间的联系（例如：一条关于身高的信息会带来一条关于体重的信息，因为两者是有关联的）并且是尺度无关的(scale-invariant)，即独立于测量尺度）；由标准化数据和中心化数据(即原始数据与均值之差）计算出的二点之间的马氏距离相同。马氏距离还可以排除变量之间的相关性的干扰。

缺点：夸大了变化微小的变量的作用。受协方差矩阵不稳定的影响，马氏距离并不总是能顺利计算出。

两个样本：
His1 = {3,4,5,6}
His2 = {2,2,8,4}

它们的均值为：
U = {2.5, 3, 6.5, 5}
协方差矩阵为：
S =
| 0.25   0.50   -0.75   0.50  |
| 0.50   1.00   -1.50   1.00  |  
|-0.75  -1.50    2.25  -1.50  |
| 0.50   1.00   -1.50   1.00  |
其中S(i,j)={[His1(i)-u(i)]*[His1(j)-u(j)]+[His2(i)-u(i)]*[His2(j)-u(j)]}/2

下一步就是求出逆矩阵S^(-1)
马氏距离 D=sqrt{[His1-His2] * S^(-1) * [(His1-His2)的转置列向量]}

Matlab计算(1 2)，( 1 3)，( 2 2)，( 3 1)两两之间的马氏距离
X = [1 2; 1 3; 2 2; 3 1]
Y = pdist(X,'mahalanobis')
结果：
Y =
    2.3452    2.0000    2.3452    1.2247    2.4495    1.2247

%欧氏距离和马氏距离的计算  
x=[1 2;1 3;2 2;3 1];  
[mx,nx]=size(x);  
Dis=ones(mx,nx);%产生全1的矩阵  
C=cov(x);%计算协方差  
for i=1:mx  
    for j=1:nx  
        D(i,j)=((x(i,:)-x(j,:))*inv(C)*(x(i,:)-x(j,:))')^0.5;  
    end  
end  

Y=pdist(x,'mahal')  
y=squareform(Y)

IV. 曼哈顿距离

曼哈顿距离(Manhattan Distance)，从名字就可以猜出这种距离的计算方法了。想象你在曼哈顿要从一个十字路口开车到另外一个十字路口，驾驶距离是两点间的直线距离吗？显然不是，除非你能穿越大楼。实际驾驶距离就是这个“曼哈顿距离”。而这也是曼哈顿距离名称的来源，曼哈顿距离也称为城市街区距离(City Block distance)。

两个n维向量a(x11,x12,…,x1n)与 b(x21,x22,…,x2n)间的曼哈顿距离

例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的曼哈顿距离
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2]
D = pdist(X, 'cityblock')
结果：
D =
     1     2     3

V. 切比雪夫距离

切比雪夫距离 ( Chebyshev Distance )，国际象棋玩过么？国王走一步能够移动到相邻的8个方格中的任意一个。那么国王从格子(x1,y1)走到格子(x2,y2)最少需要多少步？自己走走试试。有一种类似的一种距离度量方法叫切比雪夫距离。

两个n维向量a(x11,x12,…,x1n)与 b(x21,x22,…,x2n)间的切比雪夫距离

例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的切比雪夫距离
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2]
D = pdist(X, 'chebychev')
结果：
D =
     1     2     2

VI. 闵可夫斯基距离

闵可夫斯基距离(Minkowski Distance)，闵氏距离不是一种距离，而是一组距离的定义。

两个n维变量a(x11,x12,…,x1n)与 b(x21,x22,…,x2n)间的闵可夫斯基距离定义为：

其中p是一个变参数。当p=1时，就是曼哈顿距离。当p=2时，就是欧氏距离。当p→∞时，就是切比雪夫距离。根据变参数的不同，闵氏距离可以表示一类的距离。

闵氏距离，包括曼哈顿距离、欧氏距离和切比雪夫距离都存在明显的缺点。举个例子：二维样本(身高,体重)，其中身高范围是150_{190，体重范围是50}60，有三个样本：a(180,50)，b(190,50)，c(180,60)。那么a与b之间的闵氏距离（无论是曼哈顿距离、欧氏距离或切比雪夫距离）等于a与c之间的闵氏距离，但是身高的10cm真的等价于体重的10kg么？因此用闵氏距离来衡量这些样本间的相似度很有问题。简单说来，闵氏距离的缺点主要有两个：(1)将各个分量的量纲(scale)，也就是“单位”当作相同的看待了。(2)没有考虑各个分量的分布（期望，方差等)可能是不同的。

例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的闵氏距离（以变参数为2的欧氏距离为例）
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2]
D = pdist(X,'minkowski',2)
结果：
D =
    1.0000    2.0000    2.2361

VII. 夹角余弦

夹角余弦(Cosine)，几何中夹角余弦可用来衡量两个向量方向的差异，机器学习中借用这一概念来衡量样本向量之间的差异。

两个n维样本点a(x11,x12,…,x1n)和b(x21,x22,…,x2n)的夹角余弦

夹角余弦取值范围为[-1,1]。夹角余弦越大表示两个向量的夹角越小，夹角余弦越小表示两向量的夹角越大。当两个向量的方向重合时夹角余弦取最大值1，当两个向量的方向完全相反夹角余弦取最小值-1。

例子：计算(1,0)、( 1,1.732)、( -1,0)两两间的夹角余弦
X = [1 0 ; 1 1.732 ; -1 0]
D = 1- pdist(X, 'cosine')  % Matlab中的pdist(X, 'cosine')得到的是1减夹角余弦的值
结果：
D =
    0.5000   -1.0000   -0.5000

VIII. 汉明距离

汉明距离(Hamming distance)，两个等长字符串s1与s2之间的汉明距离定义为将其中一个变为另外一个所需要作的最小替换次数。例如字符串“1111”与“1001”之间的汉明距离为2。

Matlab中2个向量之间的汉明距离的定义为2个向量不同的分量所占的百分比。
例子：计算向量(0,0)、(1,0)、(0,2)两两间的汉明距离
X = [0 0 ; 1 0 ; 0 2];
D = PDIST(X, 'hamming')
结果：
D =
    0.5000    0.5000    1.0000

IX. 杰卡德相似系数

两个集合A和B的交集元素在A，B的并集中所占的比例，称为两个集合的杰卡德相似系数(Jaccard similarity coefficient)，用符号J(A,B)表示。杰卡德相似系数是衡量两个集合的相似度一种指标。

与杰卡德相似系数相反的概念是杰卡德距离(Jaccard distance)。杰卡德距离可用如下公式表示。杰卡德距离用两个集合中不同元素占所有元素的比例来衡量两个集合的区分度。

可将杰卡德相似系数用在衡量样本的相似度上。样本A与样本B是两个n维向量，而且所有维度的取值都是0或1。例如：A(0111)和B(1011)。我们将样本看成是一个集合，1表示集合包含该元素，0表示集合不包含该元素。那么样本A与B的杰卡德相似系数可以表示为：

p ：样本A与B都是1的维度的个数 q ：样本A是1，样本B是0的维度的个数 r ：样本A是0，样本B是1的维度的个数 s ：样本A与B都是0的维度的个数

这里p+q+r可理解为A与B的并集的元素个数，而p是A与B的交集的元素个数。

而样本A与B的杰卡德距离表示为：

Matlab的pdist函数定义的杰卡德距离跟我这里的定义有一些差别，Matlab中将其定义为不同的维度的个数占“非全零维度”的比例。

例子：计算(1,1,0)、(1,-1,0)、(-1,1,0)两两之间的杰卡德距离
X = [1 1 0; 1 -1 0; -1 1 0]
D = pdist( X , 'jaccard')
结果
D =
0.5000    0.5000    1.0000