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人工智能知识分享第二天-机器学习之KNN算法

article 2025/1/4 17:42:31

KNN算法

KNN算法简介

KNN算法思想

K-近邻算法（K Nearest Neighbor，简称KNN）。比如：根据你的“邻居”来推断出你的类别
KNN算法思想：如果一个样本在特征空间中的 k 个最相似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

样本相似性：样本都是属于一个任务数据集的。样本距离越近则越相似。

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K值的选择

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【知道】KNN的应用方式

解决问题：分类问题、回归问题
算法思想：若一个样本在特征空间中的 k 个最相似的样本大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别
相似性：欧氏距离
分类问题的处理流程：
1.计算未知样本到每一个训练样本的距离

2.将训练样本根据距离大小升序排列

3.取出距离最近的 K 个训练样本

4.进行多数表决，统计 K 个样本中哪个类别的样本个数最多

5.将未知的样本归属到出现次数最多的类别

回归问题的处理流程：
在这里插入图片描述

1.计算未知样本到每一个训练样本的距离

2.将训练样本根据距离大小升序排列

3.取出距离最近的 K 个训练样本

4.把这个 K 个样本的目标值计算其平均值

5.作为将未知的样本预测的值

API介绍

【实操】分类API

KNN分类API：

sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)

n_neighbors：int,可选（默认= 5），k_neighbors查询默认使用的邻居数

【实操】回归API
KNN分类API：

sklearn.neighbors.KNeighborsRegressor(n_neighbors=5)

# 1.工具包
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier,KNeighborsRegressor
# from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor

# 2.数据(特征工程)
# 分类
# x = [[0,2,3],[1,3,4],[3,5,6],[4,7,8],[2,3,4]]
# y = [0,0,1,1,0]
x = [[0,1,2],[1,2,3],[2,3,4],[3,4,5]]
y = [0.1,0.2,0.3,0.4]

# 3.实例化
# model =KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
model =KNeighborsRegressor(n_neighbors=3)

# 4.训练
model.fit(x,y)

# 5.预测
print(model.predict([[4,4,5]]))

距离度量方法

欧式距离

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曼哈顿距离

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切比雪夫距离

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闵氏距离

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特征预处理

为什么进行归一化、标准化

特征的单位或者大小相差较大，或者某特征的方差相比其他的特征要大出几个数量级，容易影响（支配）目标结果，使得一些模型（算法）无法学习到其它的特征
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归一化

通过对原始数据进行变换把数据映射到【mi,mx】(默认为[0,1])之间
在这里插入图片描述
数据归一化的API实现

sklearn.preprocessing.MinMaxScaler (feature_range=(0,1)… )

feature_range 缩放区间

调用 fit_transform(X) 将特征进行归一化缩放
归一化受到最大值与最小值的影响，这种方法容易受到异常数据的影响, 鲁棒性较差，适合传统精确小数据场景

标准化

通过对原始数据进行标准化，转换为均值为0标准差为1的标准正态分布的数据
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mean 为特征的平均值
σ 为特征的标准差

数据标准化的API实现

sklearn.preprocessing. StandardScaler()

调用 fit_transform(X) 将特征进行归一化缩放

# 1.导入工具包
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler,StandardScaler

# 2.数据(只有特征)
x = [[90, 2, 10, 40], [60, 4, 15, 45], [75, 3, 13, 46]]

# 3.实例化(归一化,标准化)
# process =MinMaxScaler()
process =StandardScaler()

# 4.fit_transform 处理1
data =process.fit_transform(x)
# print(data)

print(process.mean_)
print(process.var_)

对于标准化来说，如果出现异常点，由于具有一定数据量，少量的异常点对于平均值的影响并不大

【实操】利用KNN算法进行鸢尾花分类

鸢尾花Iris Dataset数据集是机器学习领域经典数据集，鸢尾花数据集包含了150条鸢尾花信息，每50条取自三个鸢尾花中之一：Versicolour、Setosa和Virginica
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每个花的特征用如下属性描述：

代码实现：

# 导入工具包
from sklearn.datasets import load_iris          # 加载鸢尾花测试集的.
import seaborn as sns
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split    # 分割训练集和测试集的
from sklearn.preprocessing import StandardScaler        # 数据标准化的
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier      # KNN算法 分类对象
from sklearn.metrics import accuracy_score              # 模型评估的, 计算模型预测的准确率


# 1. 定义函数 dm01_loadiris(), 加载数据集.
def dm01_loadiris():
    # 1. 加载数据集, 查看数据
    iris_data = load_iris()
    print(iris_data)           # 字典形式, 键: 属性名, 值: 数据.
    print(iris_data.keys())

    # 1.1 查看数据集
    print(iris_data.data[:5])
    # 1.2 查看目标值.
    print(iris_data.target)
    # 1.3 查看目标值名字.
    print(iris_data.target_names)
    # 1.4 查看特征名.
    print(iris_data.feature_names)
    # 1.5 查看数据集的描述信息.
    print(iris_data.DESCR)
    # 1.6 查看数据文件路径
    print(iris_data.filename)

# 2. 定义函数 dm02_showiris(), 显示鸢尾花数据.
def dm02_showiris():
    # 1. 加载数据集, 查看数据
    iris_data = load_iris()
    # 2. 数据展示
    # 读取数据, 并设置 特征名为列名.
    iris_df = pd.DataFrame(iris_data.data, columns=iris_data.feature_names)
    # print(iris_df.head(5))
    iris_df['label'] = iris_data.target

    # 可视化, x=花瓣长度, y=花瓣宽度, data=iris的df对象, hue=颜色区分, fit_reg=False 不绘制拟合回归线.
    sns.lmplot(x='petal length (cm)', y='petal width (cm)', data=iris_df, hue='label', fit_reg=False)
    plt.title('iris data')
    plt.show()


# 3. 定义函数 dm03_train_test_split(), 实现: 数据集划分
def dm03_train_test_split():
    # 1. 加载数据集, 查看数据
    iris_data = load_iris()
    # 2. 划分数据集, 即: 特征工程(预处理-标准化)
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris_data.data, iris_data.target, test_size=0.2,
                                                        random_state=22)
    print(f'数据总数量: {len(iris_data.data)}')
    print(f'训练集中的x-特征值: {len(x_train)}')
    print(f'训练集中的y-目标值: {len(y_train)}')
    print(f'测试集中的x-特征值: {len(x_test)}')

# 4. 定义函数 dm04_模型训练和预测(), 实现: 模型训练和预测
def dm04_model_train_and_predict():
    # 1. 加载数据集, 查看数据
    iris_data = load_iris()

    # 2. 划分数据集, 即: 数据基本处理
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris_data.data, iris_data.target, test_size=0.2, random_state=22)

    # 3. 数据集预处理-数据标准化(即: 标准的正态分布的数据集)
    transfer = StandardScaler()
    # fit_transform(): 适用于首次对数据进行标准化处理的情况，通常用于训练集, 能同时完成 fit() 和 transform()。
    x_train = transfer.fit_transform(x_train)
    # transform(): 适用于对测试集进行标准化处理的情况，通常用于测试集或新的数据. 不需要重新计算统计量。
    x_test = transfer.transform(x_test)

    # 4. 机器学习(模型训练)
    estimator = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
    estimator.fit(x_train, y_train)

    # 5. 模型评估.
    # 场景1: 对抽取出的测试集做预测.
    # 5.1 模型评估, 对抽取出的测试集做预测.
    y_predict = estimator.predict(x_test)
    print(f'预测结果为: {y_predict}')

    # 场景2: 对新的数据进行预测.
    # 5.2 模型预测, 对测试集进行预测.
    # 5.2.1 定义测试数据集.
    my_data = [[5.1, 3.5, 1.4, 0.2]]
    # 5.2.2 对测试数据进行-数据标准化.
    my_data = transfer.transform(my_data)
    # 5.2.3 模型预测.
    my_predict = estimator.predict(my_data)
    print(f'预测结果为: {my_predict}')

    # 5.2.4 模型预测概率, 返回每个类别的预测概率
    my_predict_proba = estimator.predict_proba(my_data)
    print(f'预测概率为: {my_predict_proba}')

    # 6. 模型预估, 有两种方式, 均可.
    # 6.1 模型预估, 方式1: 直接计算准确率, 100个样本中模型预测正确的个数.
    my_score = estimator.score(x_test, y_test)
    print(my_score)  # 0.9666666666666667

    # 6.2 模型预估, 方式2: 采用预测值和真实值进行对比, 得到准确率.
    print(accuracy_score(y_test, y_predict))


# 在main方法中测试.
if __name__ == '__main__':
    # 1. 调用函数 dm01_loadiris(), 加载数据集.
    # dm01_loadiris()

    # 2. 调用函数 dm02_showiris(), 显示鸢尾花数据.
    # dm02_showiris()

    # 3. 调用函数 dm03_train_test_split(), 查看: 数据集划分
    # dm03_train_test_split()

    # 4. 调用函数 dm04_模型训练和预测(), 实现: 模型训练和预测
    dm04_model_train_and_predict()