【AI知识】距离度量和相似性度量的常见算法

本文介绍一些AI中常见的距离度量和相似性度量算法：

1. 欧几里得距离（Euclidean Distance）

欧几里得距离是最常见的距离度量方法，用来计算两个向量之间的“直线距离”，也被成为L2范数。

公式如下，其中 $x$ 和 $y$ 是两个n维向量， $x_i$ 和 $y_i$ 分别是它们的第 $i$ 个分量。

应用示例： 在图像识别或聚类算法（如K-Means）中，欧几里得距离常用于度量数据点之间的相似性。

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2. 曼哈顿距离（Manhattan Distance）

曼哈顿距离也称为“L1距离”或“城市街区距离”，它是两个向量之间的绝对坐标差值之和。

应用示例： 在图像处理中，可以将图像的像素值表示为向量，通过计算不同图像像素向量之间的曼哈顿距离，衡量图像的相似性。

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3. 余弦相似度（Cosine Similarity）

余弦相似度衡量的是两个向量之间的夹角余弦值，用于评估两个向量在方向上的相似性。

公式如下，其中 $x\cdot y$ 表示向量的点积，$\Vert x\Vert$ 和 $\Vert y\Vert$ 是向量的范数（有L1范数，即曼哈顿距离，L2范数，即欧几里得距离），（即向量的长度）。计算出的余弦相似性值介于 [−1,1] 之间，值越接近1，两个向量的方向越相似，值越接近-1，则表示两个向量的方向越相反，值为0则表示它们是正交的（即完全不相似）。
应用示例： 在自然语言处理（NLP）中，将文本表示为词向量，通过计算不同文本向量之间的余弦相似度，可衡量文本的语义相似性。

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4. 闵可夫斯基距离（Minkowski Distance）

闵可夫斯基距离是欧几里得距离和曼哈顿距离的广义形式，参数 $p$ 控制距离计算的形式。当 $p=1$ 时，它是曼哈顿距离；当 $p=2$ 时，它是欧几里得距离。

应用示例： 闵可夫斯基距离在需要调整距离度量灵活性时使用广泛。

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5. 切比雪夫距离（Chebyshev Distance）

切比雪夫距离是向量分量之间最大差值的度量，用于衡量两个向量在一个维度上的最大变化。

应用示例： 切比雪夫距离常用于棋盘上棋子的移动问题（如国际象棋中的国王），因为它考虑的是最大一步距离。

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6. 马氏距离（Mahalanobis Distance）

马氏距离（Mahalanobis Distance）是一种距离的度量，可以看作是欧氏距离的一种修正，它考虑了各个维度的不同尺度，还考虑了数据的相关性，即协方差结构。

• 一个点和总体数据集之间的马氏距离：
  
  

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• 两个点之间的马氏距离：
  

应用示例： 马氏距离在异常检测和聚类算法中使用，特别是在数据具有不同尺度和相关性的情况下。

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7. 汉明距离（Hamming Distance）

汉明距离用于计算两个等长向量（通常是二进制向量）中不相同位置的个数。

其中，$I(x_i\ne y_i)$为指示函数，当 $x_i$ 和 $y_i$ 不相等时值为1，否则为0。

应用示例： 汉明距离常用于衡量两个字符串或二进制序列之间的差异，广泛用于纠错码和信息编码中。

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8. Jaccard系数（Jaccard Index）

Jaccard系数（Jaccard Index）是衡量两个集合相似性的一种常用指标。它的定义是两个集合交集的大小与两个集合并集的大小之比。Jaccard系数的值范围从0到1，0表示完全不相似，1表示完全相似。

应用示例： 在自然语言处理和信息检索中，Jaccard系数常用于比较文档的相似性，尤其是在处理词袋模型（Bag of Words）时。

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9.什么是点积？

点积（dot product），也叫内积（inner product），是两个向量之间的一种运算，通常用于衡量两个向量的相似性或相关性。

点积的定义：

点积的几何解释：

应用示例： 在机器学习和自然语言处理中，点积常用于衡量向量之间的相似性，尤其是在计算余弦相似度时。两个向量越相似，它们的点积越大。