1. 作者介绍

路治东，男，西安工程大学电子信息学院，2022级研究生，张宏伟人工智能课题组
研究方向：机器视觉与人工智能
电子邮件：206307079527@qq.com

2. K近邻算法介绍

2.1 K基本原理

原理：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，那么该样本也属于这个类别。简单来说就是，求两点之间的距离，看距离谁是最近的，以此来区分我们要预测的这个数据是属于哪个分类。

我们看图来理解一下。蓝色点是属于a类型的样本点，粉色点是属于b类型的样本点。此时新来了一个点（黄色点），怎么判断是属于它是a类型还是b类型呢。

方法是：新点找距离自身最近的k个点（k可变）。分别计算新点到其他各个点的距离，按距离从小到大排序，找出距离自身最近的k个点。统计在这k个点中，有多少点属于a类，有多少点属于b类。在这k个点中，如果属于b类的点更多，那么这个新点也属于b分类。距离计算公式也是我们熟悉的勾股定理。

2.2 算法优缺点

算法优点：简单易理解、无需估计参数、无需训练。适用于几千-几万的数据量。

算法缺点：对测试样本计算时的计算量大，内存开销大，k值要不断地调整来达到最优效果。k值取太小容易受到异常点的影响，k值取太多产生过拟合，影响准确性。

3. KNN红酒数据集分类实验

3.1 获取红酒数据集

首先导入sklearn的本地数据集库，变量wine获取红酒数据，由于wine接收的返回值是.Bunch类型的数据，因此我用wine_data接收所有特征值数据，它是178行13列的数组，每一列代表一种特征。wine_target用来接收所有的目标值，本数据集中的目标值（红酒类别）为0、1、2三类红酒。

然后把我们需要的数据转换成DataFrame类型的数据。为了使预测更具有一般性，我们把这个数据集打乱。操作如下：

from sklearn import datasets
wine = datasets.load_wine()  # 获取葡萄酒数据
wine_data = wine.data  #获取葡萄酒的索引data数据，178行13列
wine_target = wine.target  #获取分类目标值
 
# 将数据转换成DataFrame类型
wine_data = pd.DataFrame(data = wine_data)
wine_target = pd.DataFrame(data = wine_target)
 
# 将wine_target插入到第一列，并给这一列的列索引取名为'class'
wine_data.insert(0,'class',wine_target)
 
# ==1== 变量.sample(frac=1)           表示洗牌，重新排序
# ==2== 变量.reset_index(drop=True)   使index从0开始排序
 
wine = wine_data.sample(frac=1).reset_index(drop=True)  #把DataFrame的行顺序打乱

3.2 KNN算法

一般采用75%的数据用于训练，25%用于测试，因此在数据进行预测之前，先要对数据划分。

划分方式：
使用sklearn.model_selection.train_test_split 模块进行数据分割。

x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x, y, test_size=数据占比)
train_test_split() 括号内的参数：
x：数据集特征值(features)
y：数据集目标值(targets)
test_size： 测试数据占比，用小数表示，如0.25表示，75%训练train，25%测试test。

train_test_split() 的返回值：
x_train：训练部分特征值
x_test:    测试部分特征值
y_train：训练部分目标值
y_test:    测试部分目标值
# 划分测试集和训练集
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(features,targets,test_size=0.25)

3.3 完整代码

import pandas as pd
from sklearn import datasets
 
wine = datasets.load_wine()  # 获取葡萄酒数据
wine_data = wine.data  #获取葡萄酒的索引data数据，178行13列
wine_target = wine.target  #获取分类目标值
 
wine_data = pd.DataFrame(data = wine_data)  #转换成DataFrame类型数据
wine_target = pd.DataFrame(data = wine_target)
# 将target插入到第一列
wine_data.insert(0,'class',wine_target)
 
# ==1== 变量.sample(frac=1)           表示洗牌，重新排序
# ==2== 变量.reset_index(drop=True)   使index从0开始排序，可以省略这一步
wine = wine_data.sample(frac=1).reset_index(drop=True)
 
# 拿10行出来作验证
wine_predict = wine[-10:].reset_index(drop=True)
wine_predict_feature = wine_predict.drop('class',axis=1)  #用于验证的特征值，输入到predict()函数中
wine_predict_target = wine_predict['class']  #目标值，用于和最终预测结果比较
 
wine = wine[:-10]  #删除后10行
features = wine.drop(columns=['class'],axis=1)  #删除class这一列，产生返回值，这个是特征值
targets = wine['class']  #class这一列就是目标值
# 相当于13个特征值对应1个目标
 
 
# 划分测试集和训练集
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(features,targets,test_size=0.25)
 
# 先标准化再预测
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  #导入标准化缩放方法
scaler = StandardScaler()  #变量scaler接收标准化方法
 
# 传入特征值进行标准化
x_train = scaler.fit_transform(x_train)  #对训练的特征值标准化
x_test = scaler.fit_transform(x_test)    #对测试的特征值标准化
wine_predict_feature = scaler.fit_transform(wine_predict_feature)
 
# 使用K近邻算法分类
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  #导入k近邻算法库
# k近邻函数
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5,algorithm='auto')
 
# 训练，把训练的特征值和训练的目标值传进去
knn.fit(x_train,y_train)
# 检测模型正确率--传入测试的特征值和目标值
# 评分法，根据x_test预测结果，把结果和真实的y_test比较，计算准确率
accuracy = knn.score(x_test,y_test)
# 预测，输入预测用的x值
result = knn.predict(wine_predict_feature)

4. 问题分析

若遇到安装库不完整问题，见如下所图示的错误，可检测相关库是否安装或环境问

参考链接（可供参考的链接和引用文献）

[1]K近邻算法：原理、实例应用]https://blog.csdn.net/dgvv4/article/details/121316823
[2]案例：红酒数据集分析]https://blog.csdn.net/qq_42374697/article/details/108073110