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解题思路

本题要求实现二分 K-means (Bi-Kmeans) 算法来解决网络子网分割问题。该算法是对传统 K-means 算法的优化,能够有效避免陷入局部最优解。

算法的核心思想是采用自顶向下的分裂策略,每次选择一个簇进行二分,直到达到目标簇数量。具体流程如下:

首先,将所有网络站点作为一个整体,使用标准 K-means 算法(K=2)将其分割成两个子网。在进行 K-means 聚类时,选取子网中 x 坐标最小和最大的两个站点作为初始簇心,然后迭代更新簇心(使用簇内所有站点的平均坐标),直到簇心变化小于阈值或达到最大迭代次数。

接下来,算法进入主循环,每次迭代都需要从现有的所有簇中选择一个进行进一步划分。选择的标准是基于 SSE(误差平方和)最小化原则:计算每个簇被划分前后的 SSE 差值,选择能够最大程度降低全局 SSE 的簇进行划分。SSE 的计算方式是以簇的平均坐标为簇心,计算簇内所有站点到簇心的欧氏距离平方和。

P4228.第3题-基于二分Kmeans算法的子网分割问题

    2000ms Tried: 807 Accepted: 161 Difficulty: 6 所属公司 : 华为
    算法与标签>机器学习算法

题目内容

背景:在网络规划中,经常涉及子网分割问题,子网分割的目的是将距离相近的网络站点划分为一个子网,从而便于管理。

问题:聚类算法可以很好的解决子网分割问题,但是,聚类问题容易陷入局部最优。因此,本题期望采用优化版的聚类算法二分 KmeansKmeansKmeans 算法(Bi−KmeansBi-KmeansBi−Kmeans)进行子网分割。

方案概述:Bi−KmeansBi-KmeansBi−Kmeans 算法首先将全网按照常规的 KmeansKmeansKmeans 算法聚类成两个子网(也就是 K=2K=2K=2,两簇),然后,Bi−KmeansBi-KmeansBi−Kmeans 算法会基于 SSESSESSE(SumSumSum ofofof SquaredSquaredSquared ErrorErrorError)最小化原理,每次迭代只选择一个子网进一步划分,选择子网的原则是对该子网的进一步划分能够最大程度的降低全局 SSESSESSE,划分方法依旧是常规的 KmeansKmeansKmeans 算法(K=2K=2K=2),直到子网个数达到预期数量时,停止 Bi−KmeansBi-KmeansBi−Kmeans 算法的迭代(算法实现细节参见下述备注 1/2/31/2/31/2/3)。

备注 111-初始值选取:在进行常规 KmeansKmeansKmeans 聚类(K=2K=2K=2)二分子网时,选取子网中 xxx 坐标最小和最大的两个站点作为初始簇心进行划分(网络站点拥有不同的 xxx 坐标,本题中 xxx 坐标的最小值和最大值唯一)。

备注 222-算法迭代:在进行常规 KmeansKmeansKmeans 聚类(K=2K=2K=2)二分子网时,以簇中全部站点的平均坐标作为更新簇心;如果相邻的两次迭代聚类结果相同(各簇心迭代前后之间的距离小于 1e−61e^{-6}1e−6 则视为结果相同),则停止迭代,或者当迭代次数达到 100010001000 次时停止迭代。

备注 3−SSE3-SSE3−SSE 计算:以子网中全部站点的平均坐标为簇心,SSESSESSE 的计算方式是簇内所有站点到簇心距离的平方之和。

输入描述

输入包括三部分信息:

1)第一行数据表示期望分割的子网数量,用 NNN 表示,也就是聚类结果中簇的数量;NNN 是整数,范围 1<=N<=1001<=N<=1001<=N<=100 。

2)第二行数据表示全网站点总数,用 MMM 表示;MMM 是整数,范围 1<=M<=10001<=M<=10001<=M<=1000 。

3)从第三行开始的数据表示网络站点坐标,每一行代表一个站点的二维坐标,用空格分隔 xxx 轴坐标和 yyy 轴坐标; xxx 轴坐标和 yyy 轴坐标均为整数,0<=x0<=x0<=x 轴坐标 <=1000<=1000<=1000,0<=y0<=y0<=y 轴坐标 <=1000< =1000<=1000 。

输出描述

输出用二维数组记录划分的最终结果和划分过程,其中,第 kkk 行记录第 kkk 次划分后的结果,结果包含第 kkk 次划分后每个子网的站点数量,用空格分隔,并按照降序排列。

样例1

输入

3 
3 
0 0 
2 2 
5 5 

输出

2 1 
1 1 1

说明

输入表示我们期望将坐标分别为 (0,0)、(2,2)、(5,5)(0,0)、(2,2)、(5,5)(0,0)、(2,2)、(5,5) 的 333 个网络站点划分为 333 个子网。 按照题目要求,需要经过两次划分,第一次划分的结果为:

簇 111 1=[(0,0),(2,2)]1=[(0,0),(2,2)]1=[(0,0),(2,2)]

簇 111 2=[(5,5)]2=[(5,5)] 2=[(5,5)]

因此,期望输出的第一行是 222 111,其中,222 表示划分结果簇 111 111 有 222 个站点,111 表示划分结果簇 111 222 有 111 个站点,降序排列。

第二次划分的结果为:

簇 222 1=[(0,0)]1=[(0,0)]1=[(0,0)]

簇 222 2=[(2,2)]2=[(2,2)]2=[(2,2)]

簇 222 3=[(5,5)]3=[(5,5)]3=[(5,5)]

因此,期望输出的第二行是 111 111 111,其中,第一个 111 表示划分结果簇 222 111 有 111 个站点,第二个 111 表示划分结果簇 222 222 有 111 个站点,第三个 111 表示划分结果簇 222 333 有 111 个站点,降序排列。

样例2

输入

2 
3 
0 0 
2 2 
5 5

输出

2 1

说明

输入表示我们期望将坐标分别为 (0,0)、(2,2)、(5,5)(0,0)、(2,2)、(5,5)(0,0)、(2,2)、(5,5) 的 333 个网络站点划分为 222 个子网。

按照题目要求,需要经过一次划分,划分的结果为:

簇 1=[(0,0),(2,2)]1=[(0,0),(2,2)]1=[(0,0),(2,2)]

簇 2=[(5,5)]2=[(5,5)]2=[(5,5)]

因此,期望输出是 222 111,其中,222 表示划分结果簇 111 有 222 个站点,111 表示划分结果簇 222 有 111 个站点,降序排列。

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