DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise) è un popolare algoritmo di clustering utilizzato nel machine learning (ML) e nel data mining. Si tratta di un tipo di metodo di apprendimento non supervisionato che raggruppa i punti di dati che sono molto vicini tra loro, contrassegnando i punti che si trovano da soli in regioni a bassa densità come outlier o rumore. A differenza dei metodi di suddivisione come K-means, DBSCAN può scoprire cluster di forma arbitraria e non richiede di specificare in anticipo il numero di cluster, il che lo rende versatile per varie attività di esplorazione dei dati nell'ambito dell'intelligenza artificiale (AI).
Come funziona DBSCAN
DBSCAN opera sulla base del concetto di raggiungibilità della densità. Definisce i cluster come regioni dense di punti dati separate da aree di densità inferiore. L'algoritmo si basa su due parametri chiave: "epsilon" (eps) e "punti minimi" (minPts). Epsilon definisce la distanza massima tra due punti affinché siano considerati vicini, stabilendo essenzialmente un raggio intorno a ciascun punto. MinPts specifica il numero minimo di punti che devono trovarsi all'interno del vicinato epsilon di un punto (incluso il punto stesso) per poterlo classificare come "punto centrale".
I punti sono classificati come segue:
- Punti centrali: Punti con almeno minPts vicini entro il raggio epsilon. Costituiscono l'interno di un cluster.
- Punti di confine: Punti che sono raggiungibili da un punto centrale ma che non hanno vicini minPts. Si trovano ai margini di un cluster.
- Punti di disturbo (Outlier): Punti che non sono né punti centrali né punti di confine. Si trovano in regioni a bassa densità.
L'algoritmo inizia con un punto arbitrario e recupera il suo vicinato epsilon. Se si tratta di un punto centrale, viene creato un nuovo cluster. L'algoritmo espande poi questo cluster aggiungendo tutti i punti direttamente raggiungibili (vicini) ed esplorando iterativamente le loro vicinanze. Questo processo continua fino a quando non è possibile aggiungere altri punti a nessun cluster.
Vantaggi principali
DBSCAN offre diversi vantaggi rispetto ad altri algoritmi di clustering:
- Gestisce il rumore in modo efficace: Identifica ed etichetta esplicitamente i punti di rumore, cosa che molti altri algoritmi non riescono a fare.
- Forme arbitrarie dei cluster: può trovare cluster non sferici, a differenza di algoritmi come il clustering K-means che presuppongono cluster convessi o sferici.
- Non è necessario specificare il numero di cluster: Il numero di cluster viene determinato dall'algoritmo in base alla struttura di densità dei dati.
Tuttavia, può essere sensibile alla scelta di eps e minPtse le sue prestazioni possono peggiorare su dati ad alta dimensionalità a causa del "maledizione della dimensionalità".
Applicazioni del mondo reale
La capacità di DBSCAN di trovare gruppi densi e di isolare i valori anomali lo rende prezioso in diversi campi:
- Rilevamento di anomalie: Identificazione di transazioni insolite in ambito finanziario, rilevamento di intrusioni in rete per migliorare la sicurezza dei dati o individuazione di articoli difettosi nel controllo qualità della produzione, spesso a complemento della computer vision nei sistemi di produzione.
- Analisi dei dati geospaziali: Raggruppare i luoghi degli incidenti (come crimini o epidemie) su una mappa per identificare i punti caldi, analizzare la distribuzione dei clienti per la pianificazione dei punti vendita o comprendere i modelli nell'analisi delle immagini satellitari. Questo aiuta a sviluppare soluzioni per l'intelligenza artificiale nelle città intelligenti.
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