In this paper, we provide a novel perspective on the underlying structure of real-world data with ground-truth clusters via characterization of an abundantly observed yet often overlooked density-geometry correlation, that manifests itself as a multi-layered manifold structure. We leverage this correlation to design CoreSPECT (Core Space Projection based Enhancement of Clustering Techniques), a general framework that improves the performance of generic clustering algorithms. Our framework boosts the performance of clustering algorithms by applying them to strategically selected regions, then extending the partial partition to a complete partition for the dataset using a novel neighborhood graph based multi-layer propagation procedure. We provide initial theoretical support of the functionality of our framework under the assumption of our model, and then provide large-scale real-world experiments on 19 datasets that include standard image datasets as well as genomics datasets. We observe two notable improvements. First, CoreSPECT improves the NMI of K-Means by 20% on average, making it competitive to (and in some cases surpassing) the state-of-the-art manifold-based clustering algorithms, while being orders of magnitude faster. Secondly, our framework boosts the NMI of HDBSCAN by more than 100% on average, making it competitive to the state-of-the-art in several cases without requiring the true number of clusters and hyper-parameter tuning. The overall ARI improvements are higher.


翻译:本文通过刻画一种广泛存在但常被忽视的密度-几何相关性——表现为多层流形结构,为具有真实簇结构的现实世界数据提供了新颖的底层结构视角。我们利用这种相关性设计了CoreSPECT(基于核心空间投影的聚类技术增强框架),这是一个能提升通用聚类算法性能的通用框架。该框架通过将聚类算法应用于策略性选择的区域,随后利用基于邻域图的多层传播过程将局部划分扩展至数据集的完整划分,从而提升聚类算法的性能。我们在模型假设下为框架的功能提供了初步理论支持,并在包含标准图像数据集及基因组学数据集在内的19个数据集上进行了大规模现实世界实验。我们观察到两项显著改进:首先,CoreSPECT将K-Means的归一化互信息(NMI)平均提升20%,使其能够与最先进的基于流形的聚类算法竞争(部分情况下甚至超越),同时计算速度提升数个数量级;其次,该框架将HDBSCAN的NMI平均提升超过100%,在多种情况下无需真实簇数及超参数调优即可达到业界领先水平,且调整兰德指数(ARI)的整体提升更为显著。

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