机器学习:sklearn中K最近邻算法

时间：2024-03-14 08:26:50

K最近邻算法

使用的直接是sklearn中的KNN。
K最近邻算法属于监督学习的一种。
它既可以应用于分类，也可以应用于回归。

一：K最近邻算法原理

KNN用于分类 KNN用于回归
其思想是如果一个样本在特征空间中的k个最相邻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，并具有这个类别上样本的特性。在scikit-learn中，K最近邻算法的K值是通过n_neighbors参数来调节的，默认值是5。 当我们使用KNN计算某个数据点的预测值时，模型会选择距离该数据点最近的若干个训练数据集中的点，并且将他们的y值取平均值，作为新数据点的预测值。

二： K最近邻算法在分类中的应用

这里使用的是scikit-learn中的玩具数据集。
代码如下

# coding=gbk
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt;
import numpy as np;
from sklearn.neighbors.classification import KNeighborsClassifier
from sklearn.datasets import make_blobs;
#导入KNN分类器
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
#导入数据集拆分工具
from sklearn.model_selection import train_test_split;
#-----------------------------------------------------------------    
def make_datas():
    #生成样本数为200 分类为2的数据集
    data=make_blobs(n_samples=200, centers=2,random_state=8);
    X,y=data;
    #将生成的数据集将进行可视化：
    plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y,edgecolors='k');   # ,cmap=plt.cm.spring
    plt.show()
    return X,y;
#-----------------------------------------------------------------    
X,y=make_datas();
#直接调用库中间的K最近邻分类器
clf=KNeighborsClassifier();
#进行训练    
clf.fit(X, y);                  
#-----------------------------------------------------------------    
#下面的代码用于画图：
x_min,x_max=X[:,0].min()-1,X[:,0].max()+1;
y_min,y_max=X[:,1].min()-1,X[:,1].max()+1;
#取点  基本上就是x轴和y轴的点
xx,yy=np.meshgrid(np.arange(x_min,x_max,.02),np.arange(y_min,y_max,.02));
Z=clf.predict(np.c_[xx.ravel(),yy.ravel()])
#print(Z.shape)     306460,
#print(xx.shape)
Z=Z.reshape(xx.shape);
#print(Z.shape)     796,385
plt.pcolormesh(xx,yy,Z,cmap=plt.get_cmap('GnBu'));
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y,cmap=plt.get_cmap('spring'),edgecolors='k'); 
plt.xlim(xx.min(),xx.max());
plt.ylim(yy.min(),yy.max());
plt.title("Classifier:KNN");
plt.scatter(6.75,4.82,marker='*',c='red',s=200)
plt.show()
#-----------------------------------------------------------------    
#对新的数据点进行判断
print("----------------------------------------------------------------------");
print("代码运行结果");
print("新数据的分类是：",clf.predict([[6.75,4.82]]));
print("----------------------------------------------------------------------");
print("代码运行结果");
print("新数据的分类是：",clf.predict([[6.75,8.00]]));

运行结果：
数据初始时，图为：
机器学习:sklearn中K最近邻算法
经过分类后,图为：

机器学习:sklearn中K最近邻算法
并且console栏输出为：
机器学习:sklearn中K最近邻算法

KNN在多分类问题中的应用

接下来，我们要先生成多元分类任务所使用的数据集，然后通过修改make_blobs的centers参数，把数据类型的数量增加到5个；修改n_samples参数，把样本量增加到500个

代码如下：

#coding=gbk;
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt;
import numpy as np;
from sklearn.neighbors.classification import KNeighborsClassifier   #直接导入K最近邻分类器
from sklearn.datasets import make_blobs;      #导入制作数据的库
#----------------------------------------------------------------- 
def makeDatas():
    #生成样本数为500，分类数为5的数据集
    data=make_blobs(n_samples=300,centers=5,random_state=8);
    #X指的是生成的数据集中的特征值  y指的是数据集中的标记
    X2,y2=data;
    return X2,y2;
#----------------------------------------------------------------- 
def showRawData(X2,y2):
    #下面scatter中参数c指的是一个色彩或者颜色的序列 
    plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y,cmap=plt.get_cmap("hot"),edgecolor='k');
    plt.show()
#-----------------------------------------------------------------     
X,y=makeDatas();
#用散点图将数据进行可视化
showRawData(X, y);
clf=KNeighborsClassifier();
clf.fit(X, y);
#----------------------------------------------------------------- 
#下面用来画分类图
x_min,x_max=X[:,0].min()-1,X[:,0].max()+1;
y_min,y_max=X[:,1].min()-1,X[:,1].max()+1;
xx,yy=np.meshgrid(np.arange(x_min,x_max,.02),np.arange(y_min,y_max,.02))
Z=clf.predict(np.c_[xx.ravel(),yy.ravel()]);
Z=Z.reshape(xx.shape);
plt.pcolormesh(xx,yy,Z,cmap=plt.get_cmap('plasma'));
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y,cmap=plt.get_cmap("hot"),edgecolor='k');
plt.xlim(xx.min(),xx.max())
plt.ylim(yy.min(),yy.max())
plt.show()

运行结果：

数据初始时，图为：
机器学习:sklearn中K最近邻算法
经过分类之后，图为：
机器学习:sklearn中K最近邻算法

KNN在分类问题之中的应用，小结：
  • 经过阅读上面的两个代码，其实可以发现，无论是分成了2类或是5类，我们使用sklearn中的KNN的步骤都是一样的。

  • xx,yy=np.meshgrid(np.arange(x_min,x_max,.02),np.arange(y_min,y_max,.02))
    这一行可能有一些难以理解。请参照 np.meshgrid()理解

三： K最近邻算法在回归分析中的应用

在scikit-learn的数据集生成器中，有一个非常好的用于回归分析的数据集生成器make_regression函数，这里我们就使用它来生成make_regression生成数据集来进行实验。

代码如下：

#coding=gbk;
import matplotlib.pyplot as plt;
import numpy as np;
#导入make_regression数据集生成器
from sklearn.datasets import make_regression;
#导入用于回归分析的KNN模型
from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor;
#----------------------------------------------------------------- 
#生成特征数量为1，噪音为50的数据集
X,y=make_regression(n_features=1,n_informative=1,noise=50,random_state=8);
plt.scatter(X,y,c="orange",edgecolor="k");
#plt.show();  #从图中可以看到 x的范围是(-3,3);
#----------------------------------------------------------------- 
#把预测的结果用图像来进行可视化
reg=KNeighborsRegressor();
reg.fit(X,y);
z=np.linspace(-3,3,200).reshape(-1,1);
plt.plot(z,reg.predict(z),c="k",linewidth=2);
plt.title("KNN Regressor");
plt.show()
print("**************************")
print("模型评分为：{t:.3f}".format(t=reg.score(X,y)))
print("**************************")

运行结果：
初始时候数据显示为（代码我注释掉了）
机器学习:sklearn中K最近邻算法
经过KNN回归：
机器学习:sklearn中K最近邻算法
console处输出为：
机器学习:sklearn中K最近邻算法
又在此文的开始说过，KNN之中的K是可以通过修改参数n_neighbors的值来改变的。默认的话，n_neighbors为5。如果我们将它改成2，甚至是1会是怎么样的效果呢？

reg=KNeighborsRegressor(n_neighbors=2);
reg.fit(X,y);

此时n_neighbots=2,图为：

机器学习:sklearn中K最近邻算法
机器学习:sklearn中K最近邻算法

reg=KNeighborsRegressor(n_neighbors=1);
reg.fit(X,y);

此时n_neighbots=1,图为：

机器学习:sklearn中K最近邻算法
机器学习:sklearn中K最近邻算法

KNN在回归问题之中的应用，小结：
  • 通过改变n_neighbors，从一开始的5，到后面的2，再到1。我们可以在图像中看到，线条越来越贴近更多的训练集中的点，并且模型评分也是在不断增大（注意：这里使用训练集评的分）
    n_neighbors等于1的时候，模型评分竟然达到了1.000，并且线条几乎通过了所有的节点。但是很显然，这样的话肯定是过拟合了。

四： K最近邻算法实战-酒的分类：

使用scikit-learn内置的酒数据集来进行实验：
代码如下：

#coding=gbk;
import matplotlib.pyplot as plt;
import numpy as np;
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier;
#将酒的数据集载入到项目之中  sklearn自带的数据集
from sklearn.datasets import load_wine;
#导入数据集拆分工具 主要就是拆出来一部分的测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split;
from pandas.core.common import random_state
#----------------------------------------------------------------- 
wineDataset=load_wine();
X_train,X_test,y_train,y_test=\
    train_test_split(wineDataset['data'],wineDataset['target'],random_state=0);
 #----------------------------------------------------------------- 
print("********************************************");
print("数据集中的键值为{t}".format(t=wineDataset.keys()))
print("X_train的大小为：{t}".format(t=X_train.shape))
print("y_train的大小为：{t}".format(t=y_train.shape))
print("X_test的大小为：{t}".format(t=X_test.shape))
print("y_test的大小为：{t}".format(t=y_test.shape))
knn=KNeighborsClassifier(n_neighbors=2);
knn.fit(X_train,y_train);
print("测试集的得分为：{t}".format(t=knn.score(X_test,y_test)));
print("********************************************")
#----------------------------------------------------------------- 
#输入新的数据点：
X_new=np.array([[13.2,2.77,2.51,18.5,96.6,1.04,2.55,0.57,1.47,6.2,1.05,3.33,820]])
prediction=knn.predict(X_new);
print("预测这种酒的分类为：{}".format(wineDataset["target_names"][prediction]));

运行结果：
机器学习:sklearn中K最近邻算法

酒，小结：
  • 如果对train_test_split()函数之中的random_state参数不理解，请参考random_state的理解
  • 并且可以自己通过尝试，random_state取不同的值，最后获得的测试集的得分也不一样。

总结：

K最近邻算法在实际使用当中会有很多问题，例如它需要对数据集认真地进行预处理，对规模超大的数据集拟合的时间较长，对高维数据集拟合欠佳，以及对于稀疏数据集束手无策等

遇事不决，可问春风。

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