Machine Learning Academy · Lezione

Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score

Imparerete a tracciare l’inerzia rispetto a k (metodo del gomito) e calcolare i coefficienti di silhouette per scegliere il numero di cluster che produce gruppi compatti e ben separati.

Lezione 2 di 413 passaggi

Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score è una lezione Machine Learning Academy gratuita su CoddyKit. Questa è la lezione 2 di 4. Puoi leggere la lezione completa qui gratuitamente — poi esercitati direttamente nel browser con un editor di codice integrato e un tutor IA disponibile 24/7. Fa parte del percorso di apprendimento Machine Learning Academy, e i tuoi progressi si sincronizzano tra il web e l'app CoddyKit. Il corso Machine Learning Academy include 4 lezioni in totale.

Parti di questa lezione non sono ancora state tradotte e vengono mostrate in inglese.

Why Choosing k Matters

K-Means requires you to specify k — the number of clusters — before training. Too few clusters and you lump distinct groups together; too many and you split natural groups artificially. There is no universally correct k, but two diagnostic tools — the elbow method and the silhouette score — give principled guidance.

Inertia Decreases as k Grows

As you increase k, inertia always decreases because points are assigned to closer centroids. At k=n (one cluster per point), inertia is zero. This means you cannot simply minimise inertia — you need to find where additional clusters stop providing meaningful reductions. That point of diminishing returns is the elbow.

from sklearn.cluster import KMeans
import numpy as np

X = np.random.randn(200, 2)
inertias = []

for k in range(1, 11):
    km = KMeans(n_clusters=k, random_state=42, n_init=10)
    km.fit(X)
    inertias.append(km.inertia_)

print('Inertia per k:')
for k, inr in enumerate(inertias, start=1):
    print(f'  k={k}: {inr:.1f}')

The Elbow Method Explained

Plot inertia on the y-axis against k on the x-axis. The curve typically drops steeply for the first few k values then flattens. The elbow — the kink where the rate of decrease sharply slows — is your estimate of the true cluster count. If the true k is 3, the drop from k=1 to k=3 is large, but from k=3 to k=4 is much smaller.

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.datasets import make_blobs

X, _ = make_blobs(n_samples=300, centers=4, cluster_std=0.7, random_state=0)

inertias = []
for k in range(1, 11):
    km = KMeans(n_clusters=k, random_state=0, n_init=10)
    km.fit(X)
    inertias.append(km.inertia_)

plt.plot(range(1, 11), inertias, marker='o')
plt.xlabel('Number of clusters k')
plt.ylabel('Inertia')
plt.title('Elbow Method')
plt.axvline(x=4, color='red', linestyle='--', label='True k=4')
plt.legend()
plt.show()

Limitations of the Elbow Method

The elbow method works well when clusters are clearly separated, but real-world data often produces a smooth curve with no obvious kink. In such cases the elbow is ambiguous and different people may pick different k. That is where the silhouette score provides a more objective, mathematically grounded alternative.

Silhouette Score: The Formula

For each point i, compute two values: a(i) = mean distance to other points in the same cluster (cohesion), and b(i) = mean distance to the nearest different cluster (separation). The silhouette for point i is s(i) = (b(i) - a(i)) / max(a(i), b(i)). Values range from −1 (wrong cluster) through 0 (on border) to +1 (tight, well-separated cluster).

Computing Silhouette Score in sklearn

sklearn.metrics.silhouette_score returns the mean silhouette over all points. A score above 0.5 typically indicates reasonable clustering; above 0.7 is strong. Because you cannot compute the silhouette for k=1 (no second cluster), sweep k from 2 to some maximum and pick the k with the highest mean score.

from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import silhouette_score
from sklearn.datasets import make_blobs

X, _ = make_blobs(n_samples=300, centers=4, cluster_std=0.7, random_state=0)

scores = {}
for k in range(2, 9):
    km = KMeans(n_clusters=k, random_state=0, n_init=10)
    labels = km.fit_predict(X)
    scores[k] = silhouette_score(X, labels)
    print(f'k={k}  silhouette={scores[k]:.3f}')

best_k = max(scores, key=scores.get)
print(f'Best k: {best_k}')

Silhouette Plots for Per-Point Analysis

A silhouette plot shows the silhouette coefficient of every individual point, sorted by cluster and width. Wide, uniform bars indicate all points are well-placed. Thin bars or points with negative scores reveal misassigned outliers. scikit-learn's silhouette_samples returns per-point scores that you can visualise this way.

from sklearn.metrics import silhouette_samples
import numpy as np

from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.datasets import make_blobs

X, _ = make_blobs(n_samples=100, centers=3, cluster_std=0.6, random_state=0)
km = KMeans(n_clusters=3, random_state=0, n_init=10)
labels = km.fit_predict(X)

samples = silhouette_samples(X, labels)
print('Per-cluster mean silhouettes:')
for c in range(3):
    print(f'  Cluster {c}: {samples[labels == c].mean():.3f}')

Combining Elbow and Silhouette

In practice, use both methods together. If the elbow suggests k=4 and the silhouette score is also highest at k=4, you have strong convergent evidence. When they disagree — e.g., elbow at k=3 but silhouette peaks at k=5 — examine the silhouette plot for each candidate k and apply domain knowledge to make the final call.

Gap Statistic: A Statistical Test for k

The gap statistic compares the observed inertia against the expected inertia under a null reference distribution (data sampled uniformly in the feature space). Choose the smallest k where gap(k) >= gap(k+1) - stddev. It is more statistically rigorous than the elbow method but computationally expensive because it requires generating many random reference datasets.

Practical Guidelines for k Selection

Start with domain knowledge — if you know there are 5 product categories, start with k=5. Use the elbow as a quick visual sanity check. Confirm with silhouette for objectivity. Evaluate downstream — for business use cases, test whether the segments are actionable and interpretable. The numerically optimal k is not always the most useful business segmentation.

Elbow and Silhouette Together: Full Example

Here is a compact pipeline that runs both diagnostics side by side, giving you a summary table to help pick k efficiently.

from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import silhouette_score
from sklearn.datasets import make_blobs
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

X, _ = make_blobs(n_samples=400, centers=5, cluster_std=0.8, random_state=7)
X = StandardScaler().fit_transform(X)

print(f'{'k':>3}  {'Inertia':>10}  {'Silhouette':>10}')
for k in range(2, 10):
    km = KMeans(n_clusters=k, n_init=10, random_state=0)
    labels = km.fit_predict(X)
    sil = silhouette_score(X, labels)
    print(f'{k:>3}  {km.inertia_:>10.1f}  {sil:>10.3f}')

Quick Check

Test your understanding of k selection methods from this lesson.

Lesson Recap

In this lesson you learned: the elbow method plots inertia vs k and looks for the kink where improvement slows, silhouette score ranges from -1 to +1 and measures both cohesion and separation, and combining both methods with domain knowledge gives the most reliable k selection. Next up we explore DBSCAN — a density-based algorithm that discovers clusters of arbitrary shape and handles noise.

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Lezioni
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Domande Frequenti

La lezione «Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score» è gratuita?

Sì — il testo completo di «Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score» è gratuito qui sul web. Per esercitarvi in modo interattivo (un editor di codice integrato e un tutor IA 24/7) e sbloccare il resto del corso Machine Learning Academy, passa a CoddyKit PRO. Il corso Machine Learning Academy include 4 lezioni in totale.

Cosa imparerò in «Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score»?

Imparerete a tracciare l’inerzia rispetto a k (metodo del gomito) e calcolare i coefficienti di silhouette per scegliere il numero di cluster che produce gruppi compatti e ben separati. Eserciti Machine Learning Academy con codice pratico che esegui direttamente nel browser, e un tutor IA 24/7 risponde alle tue domande mentre lavori sulla lezione.

Ho bisogno di esperienza per iniziare Machine Learning Academy?

Non è richiesta alcuna esperienza precedente. Machine Learning Academy su CoddyKit è strutturato per principianti e studenti avanzati, quindi puoi iniziare da qui o dall'inizio e procedere al tuo ritmo. Questa è la lezione 2 di 4.

Quanto tempo richiede la lezione «Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score»?

La maggior parte delle lezioni CoddyKit richiede circa 5–10 minuti. Ogni lezione è breve e interattiva, quindi fai progressi costanti e riprendi esattamente da dove hai lasciato su web e app.

Posso scrivere ed eseguire codice in questa lezione Machine Learning Academy?

Sì. Ogni lezione Machine Learning Academy include un editor di codice integrato, quindi scrivi ed esegui codice reale direttamente nel tuo browser e ricevi feedback istantaneo dall'IA — nessuna configurazione locale necessaria.

Tutte le lezioni di questo corso

  1. K-Means: centroidi, assegnazione e aggiornamento
  2. Scegliere K: metodo del gomito e silhouette score
  3. DBSCAN: punti core, punti di bordo e rumore
  4. Clustering per la segmentazione dei clienti: esempio completo
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