机器学习：基于KNN对葡萄酒质量进行分类

作者：i阿极

作者简介：Python领域新星作者、多项比赛获奖者：博主个人首页

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一、实验简介

该数据集采集于葡萄牙北部“Vinho Verde”葡萄酒，由于隐私和物流问题，只有理化变量特征是可以进行使用的(例如，数据集中没有关于葡萄品种、葡萄酒品牌、葡萄酒销售价格等的数据)。本篇notebook使用了红葡萄酒质量的数据集，并用KNN进行分类模型的训练。

二、数据说明

文件列表
该数据集包含四个文件

• winequality-red.csv：红葡萄酒质量数据
• winequality-white.csv：白葡萄酒质量数据
• white_train.csv：白葡萄酒质量训练集数据（target label: good_or_not, 即quality>5的样本都为品质好的葡萄酒）
• white_test.csv：白葡萄酒质量测试集数据（without target label）

三、实验环境

Python 3.9

Anaconda

Jupyter Notebook

四、加载数据

加载模块

import pandas as pd
import numpy as np
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

加载数据

df = pd.read_csv("./input/winequality/winequality-red.csv")
df.head()

查看数据集行列数

print("该数据集共有 {} 行 {} 列".format(df.shape[0],df.shape[1]))

查看特征值和空值

df.isnull().any()

查看葡萄酒质量情况分布

score = df.groupby("quality").agg({"fixed acidity": lambda x: len(x)})
score = score.reset_index()
score.columns = ["quality","count"]
score

sns.barplot(x = 'quality', y = 'count', data = score, palette="rocket").set_title("葡萄酒质量分布")
plt.show()

五、定义高质量红酒

我们将评分为6分及以上的红酒定义为高质量红酒。
本研究的目的是建立KNN模型，区分“高质量红酒”与非“高质量红酒”，是一个二元分类问题。

df["GoodWine"] = df.quality.apply(lambda x: 1 if x >=6 else 0)
df["GoodWine"].head()

六、转换数据

SciKit-Learn接受NumPy Arrays形式的输入，因此我们把11个特征(features)和分类标签(classification label)改成NumPy Arrays的形式。

#特征
X = np.array(df[df.columns[:11]])
X

#分类标签
y = np.array(df.GoodWine)
y

七、划分数据集

我们有1599行数据，按照70%和30%将数据集分为training set和test set。

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train_unproc, X_test_unproc, y_train, y_test = train_test_split(X,y,test_size = 0.3)
X_train_unproc

八、数据归一化

因为KNN模型对数据的缩放(scaling)很敏感，我们根据training set数据进行归一化，并把同样的转换加诸于test set上。这样能够确保每个特征对KNN模型的影响力一样大。

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
scaler = StandardScaler().fit(X_train_unproc)

X_train = scaler.transform(X_train_unproc)
X_test = scaler.transform(X_test_unproc)

X_train

九、建立KNN分类模型

KNN算法主要考虑三个重要要素：

• K值的选择
• 距离度量的方式
• 分类决策规则

在这里，我们先给k值选择一个较小的值，然后通过交叉验证选择一个合适k值。

假定k = 3，建立一个KNN分类器，并查看其准确率。

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

#初始化
k = 3
clf = KNeighborsClassifier(k)

#使用training set训练模型
clf.fit(X_train, y_train)

# training set正确率
print("训练集正确率：{}%".format(round(clf.score(X_train, y_train)*100,2)))

交叉验证

# cross validation正确率
from sklearn import model_selection as cv
scores = cv.cross_val_score(clf, X_train, y_train, cv = 5)
score = scores.mean()
print("交叉验证正确率：{}%".format(round(score*100, 2)))

十、选择最优K

我们使用交叉验证(cross validation)选择最好的k，使得KNN分类器在未来的数据上有最好的表现。
这里我们尝试了k = 1,2,3,…100。

# selecting the best k
ks = range(1,100)
inSampleScores = []
crossValidationScores = []
d = {} #key = k, value = cv accuracy rate

for k in ks:
    clf = KNeighborsClassifier(k).fit(X_train, y_train)
    inSampleScores.append(clf.score(X_train, y_train))
    scores = cv.cross_val_score(clf, X_train, y_train, cv = 5)
    crossValidationScores.append(scores.mean())
    d[k] = scores.mean()

# 画图
import matplotlib.pyplot as plt

p1 = plt.plot(ks, inSampleScores)
p2 = plt.plot(ks, crossValidationScores)
plt.legend(["train正确率", "cv正确率"])
plt.show()

# 选择最好的k
best_k = sorted(d.items(), key = lambda x:x[1], reverse = True)[0][0]
print("最优的k值：{}".format(best_k))

十一、将最好的KNN分类器应用于test set上

#建模
clf = KNeighborsClassifier(best_k).fit(X_train, y_train)

#预测
y_test_pred = clf.predict(X_test)

#正确率
print("测试集正确率：{}%".format(round(clf.score(X_test, y_test)*100, 2)))

混淆矩阵

# 混淆矩阵 (confusion matrix)
from sklearn.metrics import confusion_matrix
cnf_matrix = confusion_matrix(y_test, y_test_pred)

class_names = [0,1]
plot_confusion_matrix(cnf_matrix , classes=class_names, title='Confusion matrix')
plt.show()

评估报告

from sklearn.metrics import classification_report
print(classification_report(y_test, y_test_pred))

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总结

可以从以下几个方面来探索葡萄酒质量数据：

• 葡萄酒质量的分布情况如何？
• 如何根据现有数据预测新的葡萄酒的质量？
• 是否所有理化特征都与葡萄酒的质量相关？

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