Статья Автор: Деникина Н.В., Деникин А.В.

Метод локтя

Один из самых сложных этапов алгоритма k-means — выбор оптимального числа кластеров k. Чтобы оценить качество разбиения на кластеры, используется специальная метрика — инерция.

Что такое инерция?

Инерция — это число, которое показывает, насколько «разбросаны» точки внутри своих кластеров.
Формула:
Инерция = сумма [(расстояние от каждой точки до центра её кластера)²]
 
Простой пример:

Допустим, у нас 4 точки и 1 кластер с центром в точке (5, 5):

Точки: (4, 5), (6, 5), (5, 4), (5, 6)
Центр: (5, 5)

Расстояния до центра:
  (4,5) → (5,5): расстояние = 1
  (6,5) → (5,5): расстояние = 1
  (5,4) → (5,5): расстояние = 1
  (5,6) → (5,5): расстояние = 1

Инерция = 1² + 1² + 1² + 1² = 4

Что означает инерция?

Инерция Что это значит
Маленькая Точки сидят близко к центрам → кластеры плотные, хорошие
Большая Точки далеко от центров → кластеры рыхлые, плохие

Цель: найти такое количество кластеров, чтобы инерция была маленькой, но кластеров не было слишком много.

 

Метод локтя

Метод локтя помогает выбрать, сколько кластеров нужно.

Мы запускаем алгоритм K‑Means для разных значений k (например, от 1 до 10) и смотрим, как меняется инерция — сумма расстояний от точек до своих центров.

Когда кластеры становятся точнее, инерция быстро уменьшается, но затем почти перестаёт снижаться.

На графике в этот момент появляется «локоть» — место, где линия резко меняет направление.
 

Инерция
    │
500 │●
    │ ╲
300 │    ●
    │     ╲
100 │        ●═══●═══●
    │        ↑
    │      ЛОКОТЬ
    └─────────────────── k
         1  2  3  4  5

 

Это и есть оптимальное число кластеров: дальше качество почти не растёт, а сложность увеличивается.

 


Когда метод локтя НЕ работает?

Случай 1: Нет чёткого локтя

Иногда график плавный, без резкого излома:

Инерция
    │
    ●
     ╲
      ╲
       ╲
        ╲
         ╲
          ╲
           ╲
            ●
    └──────────── k

Что делать: использовать другие методы (силуэтный коэффициент) или экспертное мнение.
 

Случай 2: Несколько локтей
Инерция
    │
    ●
     ╲___●
          ╲
           ╲___●
                ╲___●___●
    └──────────────────── k

Что делать: выбрать тот локоть, который даёт практически полезное количество кластеров.

Печать