机器学习-KNN分类算法

1.1 KNN分类

KNN分类算法（K-Nearest-Neighbors Classification），又叫K近邻算法。它是概念极其简单，而效果又很优秀的分类算法。1967年由Cover T和Hart P提出。

KNN分类算法的核心思想：如果一个样本在特征空间中的k个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。

如图，假设已经获取一些动物的特征，且已知这些动物的类别。现在需要识别一只新动物，判断它是哪类动物。首先找到与这个物体最接近的k个动物。假设k=3，则可以找到2只猫和1只狗。由于找到的结果中大多数是猫，则把这个新动物划分为猫类。

KNN方法有三个核心要素:

1．K值

如果k取值太小，好处是近似误差会减小。但同时预测结果对近邻的样本点非常敏感，仅由非常近的训练样本决定预测结果。使模型变得复杂，容易过拟合。如果k值太大，学习的近似误差会增大，导致分类模糊，即欠拟合。

下面举例看k值对预测结果的影响。对图5.2中的动物进行分类，当k=3时，分类结果为“猫：狗=2：1”，所以属于猫；当k=5时，表决结果为“猫：狗：熊猫=2：3：1”，所以判断目标动物为狗。

那么K值到底怎么选取呢？涉及到距离的度量问题。

2．距离的度量

不同的距离所确定的近邻点不同。平面上比较常用的是欧式距离。此外还有曼哈顿距离、余弦距离、球面距离等。

可以得到距离如下所示

3.分类决策规则

分类结果的确定往往采用多数表决原则，即由输入实例的k个最邻近的训练实例中的多数类决定输入实例的类别。

1.2 初识KNN——鸢尾花分类

1．查看数据

SKlearn中的iris数据集有5个key，分别如下：

target_names : 分类名称，包括setosa、versicolor和virginica类。
data : 特征数据值。
target：分类（150个）。
DESCR: 数据集的简介。
feature_names: 特征名称。

【例】查看鸢尾花iris数据集。

#【例1.1】对鸢尾花iris数据集进行调用，查看数据的各方面特征。
from sklearn.datasets import load_iris
iris_dataset = load_iris()
#下面是查看数据的各项属性
print("数据集的Keys:\n",iris_dataset.keys())     #查看数据集的keys。
print("特征名:\n",iris_dataset['feature_names'])  #查看数据集的特征名称
print("数据类型:\n",type(iris_dataset['data']))    #查看数据类型
print("数据维度:\n",iris_dataset['data'].shape)    #查看数据的结构
print("前五条数据:\n{}".format(iris_dataset['data'][:5]))  #查看前5条数据
#查看分类信息
print("标记名:\n",iris_dataset['target_names']) 
print("标记类型:\n",type(iris_dataset['target']))
print("标记维度:\n",iris_dataset['target'].shape)
print("标记值:\n",iris_dataset['target'])
#查看数据集的简介
print('数据集简介：\n',iris_dataset['DESCR'][:20] + "\n.......")  #数据集简介前20个字符

运行结果：

数据集的Keys:
 dict_keys(['data', 'target', 'target_names', 'DESCR', 'feature_names'])
特征名:
 ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']
数据类型:
 <class 'numpy.ndarray'>
数据维度:
 (150, 4)
前五条数据:
[[5.1 3.5 1.4 0.2]
 [4.9 3.  1.4 0.2]
 [4.7 3.2 1.3 0.2]
 [4.6 3.1 1.5 0.2]
 [5.  3.6 1.4 0.2]]
标记名:
 ['setosa' 'versicolor' 'virginica']
标记类型:
 <class 'numpy.ndarray'>
标记维度:
 (150,)
标记值:
 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2]
数据集简介：
 Iris Plants Database
.......

2．数据集拆分

使用train_test_split函数。train_test_split函数属于sklearn.model_selection类中的交叉验证功能，能随机地将样本数据集合拆分成训练集和测试集。

【例】对iris数据集进行拆分，并查看拆分结果。

#【例1.2】对iris数据集进行拆分，并查看拆分结果。
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
iris_dataset = load_iris()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split( iris_dataset['data'], iris_dataset['target'], random_state=2)
print("X_train",X_train)
print("y_train",y_train)
print("X_test",X_test)
print("y_test",y_test)
print("X_train shape: {}".format(X_train.shape))
print("X_test shape: {}".format(X_test.shape))

运行结果：

X_train [[5.5 2.3 4.  1.3]
 [6.9 3.1 5.1 2.3]
 [6.  2.9 4.5 1.5]
 [6.2 2.9 4.3 1.3]
 [6.8 3.2 5.9 2.3]
 [5.  2.3 3.3 1. ]
 [4.8 3.4 1.6 0.2]
 [6.1 2.6 5.6 1.4]
 [5.2 3.4 1.4 0.2]
 [6.7 3.1 4.4 1.4]
 [5.1 3.5 1.4 0.2]
 [5.2 3.5 1.5 0.2]
 [5.5 3.5 1.3 0.2]
 [4.9 2.5 4.5 1.7]
 [6.2 3.4 5.4 2.3]
 [7.9 3.8 6.4 2. ]
 [5.4 3.4 1.7 0.2]
 [6.7 3.1 5.6 2.4]
 [6.3 3.4 5.6 2.4]
 [7.6 3.  6.6 2.1]
 [6.  2.2 5.  1.5]
 [4.3 3.  1.1 0.1]
 [4.8 3.1 1.6 0.2]
 [5.8 2.7 5.1 1.9]
 [5.7 2.8 4.1 1.3]
 [5.2 2.7 3.9 1.4]
 [7.7 3.  6.1 2.3]
 [6.3 2.7 4.9 1.8]
 [6.1 2.8 4.  1.3]
 [5.1 3.7 1.5 0.4]
 [5.7 2.8 4.5 1.3]
 [5.4 3.9 1.3 0.4]
 [5.8 2.8 5.1 2.4]
 [5.8 2.6 4.  1.2]
 [5.1 2.5 3.  1.1]
 [5.7 3.8 1.7 0.3]
 [5.5 2.4 3.7 1. ]
 [5.9 3.  4.2 1.5]
 [6.7 3.1 4.7 1.5]
 [7.7 2.8 6.7 2. ]
 [4.9 3.  1.4 0.2]
 [6.3 3.3 4.7 1.6]
 [5.1 3.8 1.5 0.3]
 [5.8 2.7 3.9 1.2]
 [6.9 3.2 5.7 2.3]
 [4.9 3.1 1.5 0.1]
 [5.  2.  3.5 1. ]
 [4.9 3.1 1.5 0.1]
 [5.  3.5 1.3 0.3]
 [5.4 3.7 1.5 0.2]
 [6.8 3.  5.5 2.1]
 [6.3 3.3 6.  2.5]
 [5.  3.4 1.6 0.4]
 [5.2 4.1 1.5 0.1]
 [6.3 2.5 5.  1.9]
 [7.7 2.6 6.9 2.3]
 [6.  2.2 4.  1. ]
 [7.2 3.6 6.1 2.5]
 [4.9 2.4 3.3 1. ]
 [6.1 2.8 4.7 1.2]
 [6.5 3.  5.2 2. ]
 [5.1 3.5 1.4 0.3]
 [7.4 2.8 6.1 1.9]
 [5.9 3.  5.1 1.8]
 [6.4 2.7 5.3 1.9]
 [4.4 2.9 1.4 0.2]
 [5.6 2.8 4.9 2. ]
 [5.1 3.4 1.5 0.2]
 [5.  3.3 1.4 0.2]
 [5.7 2.6 3.5 1. ]
 [6.9 3.1 5.4 2.1]
 [5.5 2.6 4.4 1.2]
 [6.3 2.8 5.1 1.5]
 [7.  3.2 4.7 1.4]
 [6.8 2.8 4.8 1.4]
 [6.5 3.2 5.1 2. ]
 [6.9 3.1 4.9 1.5]
 [5.5 2.4 3.8 1.1]
 [5.6 3.  4.5 1.5]
 [6.  3.  4.8 1.8]
 [6.  2.7 5.1 1.6]
 [5.8 2.7 5.1 1.9]
 [5.9 3.2 4.8 1.8]
 [5.1 3.8 1.6 0.2]
 [6.2 2.2 4.5 1.5]
 [5.6 3.  4.1 1.3]
 [5.6 2.5 3.9 1.1]
 [5.8 2.7 4.1 1. ]
 [6.4 3.1 5.5 1.8]
 [6.6 2.9 4.6 1.3]
 [5.5 4.2 1.4 0.2]
 [4.4 3.  1.3 0.2]
 [6.3 2.9 5.6 1.8]
 [6.4 3.2 4.5 1.5]
 [7.3 2.9 6.3 1.8]
 [5.  3.6 1.4 0.2]
 [7.1 3.  5.9 2.1]
 [4.9 3.1 1.5 0.1]
 [6.5 3.  5.5 1.8]
 [6.7 3.3 5.7 2.1]
 [5.4 3.4 1.5 0.4]
 [6.1 2.9 4.7 1.4]
 [4.6 3.2 1.4 0.2]
 [6.7 3.  5.2 2.3]
 [5.7 3.  4.2 1.2]
 [5.  3.4 1.5 0.2]
 [6.5 3.  5.8 2.2]
 [6.6 3.  4.4 1.4]
 [5.  3.5 1.6 0.6]
 [4.6 3.6 1.  0.2]
 [6.3 2.5 4.9 1.5]
 [5.7 4.4 1.5 0.4]]
y_train [1 2 1 1 2 1 0 2 0 1 0 0 0 2 2 2 0 2 2 2 2 0 0 2 1 1 2 2 1 0 1 0 2 1 1 0 1
 1 1 2 0 1 0 1 2 0 1 0 0 0 2 2 0 0 2 2 1 2 1 1 2 0 2 2 2 0 2 0 0 1 2 1 2 1
 1 2 1 1 1 2 1 2 1 0 1 1 1 1 2 1 0 0 2 1 2 0 2 0 2 2 0 1 0 2 1 0 2 1 0 0 1
 0]
X_test [[4.6 3.4 1.4 0.3]
 [4.6 3.1 1.5 0.2]
 [5.7 2.5 5.  2. ]
 [4.8 3.  1.4 0.1]
 [4.8 3.4 1.9 0.2]
 [7.2 3.  5.8 1.6]
 [5.  3.  1.6 0.2]
 [6.7 2.5 5.8 1.8]
 [6.4 2.8 5.6 2.1]
 [4.8 3.  1.4 0.3]
 [5.3 3.7 1.5 0.2]
 [4.4 3.2 1.3 0.2]
 [5.  3.2 1.2 0.2]
 [5.4 3.9 1.7 0.4]
 [6.  3.4 4.5 1.6]
 [6.5 2.8 4.6 1.5]
 [4.5 2.3 1.3 0.3]
 [5.7 2.9 4.2 1.3]
 [6.7 3.3 5.7 2.5]
 [5.5 2.5 4.  1.3]
 [6.7 3.  5.  1.7]
 [6.4 2.9 4.3 1.3]
 [6.4 3.2 5.3 2.3]
 [5.6 2.7 4.2 1.3]
 [6.3 2.3 4.4 1.3]
 [4.7 3.2 1.6 0.2]
 [4.7 3.2 1.3 0.2]
 [6.1 3.  4.9 1.8]
 [5.1 3.8 1.9 0.4]
 [7.2 3.2 6.  1.8]
 [6.2 2.8 4.8 1.8]
 [5.1 3.3 1.7 0.5]
 [5.6 2.9 3.6 1.3]
 [7.7 3.8 6.7 2.2]
 [5.4 3.  4.5 1.5]
 [5.8 4.  1.2 0.2]
 [6.4 2.8 5.6 2.2]
 [6.1 3.  4.6 1.4]]
y_test [0 0 2 0 0 2 0 2 2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 2 1 1 1 2 1 1 0 0 2 0 2 2 0 1 2 1 0 2
 1]
X_train shape: (112, 4)
X_test shape: (38, 4)

3．使用散点矩阵查看数据特征关系

在数据分析中，同时观察一组变量的散点图是很有意义的，这也被称为散点图矩阵（scatter plot matrix）。创建这样的图表工作量巨大，可以使用scatter_matrix函数。scatter_matrix函数是Pandas提供了一个能从DataFrame创建散点图矩阵的函数。

【例】对鸢尾花数据结果，使用scatter_matrix显示训练集与测试集的散点图矩阵。

#【例5.3】使用scatter_matrix显示训练集与测试集。
import pandas as pd
iris_dataframe = pd.DataFrame(X_train, columns=iris_dataset.feature_names)
# 创建一个scatter matrix，颜色值来自y_train
pd.plotting.scatter_matrix(iris_dataframe, c=y_train, figsize=(15, 15), marker='o', hist_kwds={'bins': 20}, s=60, alpha=.8)

运行结果：

4．建立KNN模型

在Python中，实现KNN方法使用的是KNeighborsClassifier类，KNeighborsClassifier类属于Scikit-learn的neighbors包。

核心操作包括以下三步：

创建KNeighborsClassifier对象，并进行初始化
调用fit()方法，对数据集进行训练
调用predict()函数，对测试集进行预测

使用KNN对鸢尾花iris数据集进行分类的完整代码如下：

from sklearn import datasets
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split
#导入鸢尾花数据并查看数据特征
iris = datasets.load_iris()
print('数据集结构：',iris.data.shape)
# 获取属性
iris_X = iris.data
# 获取类别
iris_y = iris.target
# 划分成测试集和训练集
iris_train_X,iris_test_X,iris_train_y,iris_test_y=train_test_split(iris_X,iris_y,test_size=0.2, random_state=0)
#分类器初始化
knn = KNeighborsClassifier()
#对训练集进行训练
knn.fit(iris_train_X, iris_train_y)
#对测试集数据的鸢尾花类型进行预测
predict_result = knn.predict(iris_test_X)
print('测试集大小：',iris_test_X.shape)
print('真实结果：',iris_test_y)
print('预测结果：',predict_result)
#显示预测精确率
print('预测精确率：',knn.score(iris_test_X, iris_test_y))

运行结果：

数据集结构： (150, 4)
测试集大小： (30, 4)
真实结果： [2 1 0 2 0 2 0 1 1 1 2 1 1 1 1 0 1 1 0 0 2 1 0 0 2 0 0 1 1 0]
预测结果： [2 1 0 2 0 2 0 1 1 1 2 1 1 1 2 0 1 1 0 0 2 1 0 0 2 0 0 1 1 0]
预测精确率： 0.9666666666666667