第2章 k-近邻算法

KNN 概述

k-近邻（kNN, k-NearestNeighbor）算法是一种基本分类与回归方法，我们这里只讨论分类问题中的 k-近邻算法。

一句话总结：近朱者赤近墨者黑！

k 近邻算法的输入为实例的特征向量，对应于特征空间的点；输出为实例的类别，可以取多类。k 近邻算法假设给定一个训练数据集，其中的实例类别已定。分类时，对新的实例，根据其 k 个最近邻的训练实例的类别，通过多数表决等方式进行预测。因此，k近邻算法不具有显式的学习过程。

k 近邻算法实际上利用训练数据集对特征向量空间进行划分，并作为其分类的“模型”。 k值的选择、距离度量以及分类决策规则是k近邻算法的三个基本要素。

KNN 场景

电影可以按照题材分类，那么如何区分 动作片 和 爱情片 呢？

1. 动作片：打斗次数更多
2. 爱情片：亲吻次数更多

基于电影中的亲吻、打斗出现的次数，使用 k-近邻算法构造程序，就可以自动划分电影的题材类型。

现在根据上面我们得到的样本集中所有电影与未知电影的距离，按照距离递增排序，可以找到 k 个距离最近的电影。
假定 k=3，则三个最靠近的电影依次是， He's Not Really into Dudes 、 Beautiful Woman 和 California Man。
knn 算法按照距离最近的三部电影的类型，决定未知电影的类型，而这三部电影全是爱情片，因此我们判定未知电影是爱情片。

KNN 原理

KNN 工作原理

1. 假设有一个带有标签的样本数据集（训练样本集），其中包含每条数据与所属分类的对应关系。
2. 输入没有标签的新数据后，将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较。
   1. 计算新数据与样本数据集中每条数据的距离。
   2. 对求得的所有距离进行排序（从小到大，越小表示越相似）。
   3. 取前 k （k 一般小于等于 20 ）个样本数据对应的分类标签。
3. 求 k 个数据中出现次数最多的分类标签作为新数据的分类。

KNN 通俗理解

给定一个训练数据集，对新的输入实例，在训练数据集中找到与该实例最邻近的 k 个实例，这 k 个实例的多数属于某个类，就把该输入实例分为这个类。

KNN 开发流程

收集数据：任何方法
准备数据：距离计算所需要的数值，最好是结构化的数据格式
分析数据：任何方法
训练算法：此步骤不适用于 k-近邻算法
测试算法：计算错误率
使用算法：输入样本数据和结构化的输出结果，然后运行 k-近邻算法判断输入数据分类属于哪个分类，最后对计算出的分类执行后续处理

KNN 算法特点

优点：精度高、对异常值不敏感、无数据输入假定
缺点：计算复杂度高、空间复杂度高
适用数据范围：数值型和标称型

KNN 项目案例

项目案例1: 优化约会网站的配对效果

项目概述

海伦使用约会网站寻找约会对象。经过一段时间之后，她发现曾交往过三种类型的人:

• 不喜欢的人
• 魅力一般的人
• 极具魅力的人

她希望：

1. 工作日与魅力一般的人约会
2. 周末与极具魅力的人约会
3. 不喜欢的人则直接排除掉

现在她收集到了一些约会网站未曾记录的数据信息，这更有助于匹配对象的归类。

开发流程

收集数据：提供文本文件
准备数据：使用 Python 解析文本文件
分析数据：使用 Matplotlib 画二维散点图
训练算法：此步骤不适用于 k-近邻算法
测试算法：使用海伦提供的部分数据作为测试样本。
        测试样本和非测试样本的区别在于：
            测试样本是已经完成分类的数据，如果预测分类与实际类别不同，则标记为一个错误。
使用算法：产生简单的命令行程序，然后海伦可以输入一些特征数据以判断对方是否为自己喜欢的类型。

收集数据：提供文本文件

海伦把这些约会对象的数据存放在文本文件 datingTestSet2.txt 中，总共有 1000 行。海伦约会的对象主要包含以下 3 种特征：

• 每年获得的飞行常客里程数
• 玩视频游戏所耗时间百分比
• 每周消费的冰淇淋公升数

文本文件数据格式如下：

40920	8.326976	0.953952	3
14488	7.153469	1.673904	2
26052	1.441871	0.805124	1
75136	13.147394	0.428964	1
38344	1.669788	0.134296	1

准备数据：使用 Python 解析文本文件

将文本记录转换为 NumPy 的解析程序

def file2matrix(filename):
   """
   Desc:
       导入训练数据
   parameters:
       filename: 数据文件路径
   return: 
       数据矩阵 returnMat 和对应的类别 classLabelVector
   """
   fr = open(filename)
   # 获得文件中的数据行的行数
   numberOfLines = len(fr.readlines())
   # 生成对应的空矩阵
   # 例如：zeros(2，3)就是生成一个 2*3的矩阵，各个位置上全是 0 
   returnMat = zeros((numberOfLines, 3))  # prepare matrix to return
   classLabelVector = []  # prepare labels return
   fr = open(filename)
   index = 0
   for line in fr.readlines():
       # str.strip([chars]) --返回移除字符串头尾指定的字符生成的新字符串
       line = line.strip()
       # 以 '\t' 切割字符串
       listFromLine = line.split('\t')
       # 每列的属性数据
       returnMat[index, :] = listFromLine[0:3]
       # 每列的类别数据，就是 label 标签数据
       classLabelVector.append(int(listFromLine[-1]))
       index += 1
   # 返回数据矩阵returnMat和对应的类别classLabelVector
   return returnMat, classLabelVector

分析数据：使用 Matplotlib 画二维散点图

import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
ax.scatter(datingDataMat[:, 1], datingDataMat[:, 2], 15.0*array(datingLabels), 15.0*array(datingLabels))
plt.show()

下图中采用矩阵的第一和第三列属性得到很好的展示效果，清晰地标识了三个不同的样本分类区域，具有不同爱好的人其类别区域也不同。

• 归一化数据 （归一化是一个让权重变为统一的过程，更多细节请参考： https://www.zhihu.com/question/19951858 ）

样本3和样本4的距离： $$\sqrt{(0-67)2 + (20000-32000)2 + (1.1-0.1)^2 }$$

归一化特征值，消除特征之间量级不同导致的影响

归一化定义： 我是这样认为的，归一化就是要把你需要处理的数据经过处理后（通过某种算法）限制在你需要的一定范围内。首先归一化是为了后面数据处理的方便，其次是保正程序运行时收敛加快。 方法有如下：

• 线性函数转换，表达式如下：　　

  y=(x-MinValue)/(MaxValue-MinValue)　　

  说明：x、y分别为转换前、后的值，MaxValue、MinValue分别为样本的最大值和最小值。　　

• 对数函数转换，表达式如下：　　

  y=log10(x)　　

  说明：以10为底的对数函数转换。

  如图：

• 反余切函数转换，表达式如下：

  y=atan(x)*2/PI　

  如图：

• 式(1)将输入值换算为[-1,1]区间的值，在输出层用式(2)换算回初始值，其中和分别表示训练样本集中负荷的最大值和最小值。　　

在统计学中，归一化的具体作用是归纳统一样本的统计分布性。归一化在0-1之间是统计的概率分布，归一化在-1--+1之间是统计的坐标分布。

def autoNorm(dataSet):
    """
    Desc:
        归一化特征值，消除特征之间量级不同导致的影响
    parameter:
        dataSet: 数据集
    return:
        归一化后的数据集 normDataSet. ranges和minVals即最小值与范围，并没有用到

    归一化公式：
        Y = (X-Xmin)/(Xmax-Xmin)
        其中的 min 和 max 分别是数据集中的最小特征值和最大特征值。该函数可以自动将数字特征值转化为0到1的区间。
    """
    # 计算每种属性的最大值、最小值、范围
    minVals = dataSet.min(0)
    maxVals = dataSet.max(0)
    # 极差
    ranges = maxVals - minVals
    normDataSet = zeros(shape(dataSet))
    m = dataSet.shape[0]
    # 生成与最小值之差组成的矩阵
    normDataSet = dataSet - tile(minVals, (m, 1))
    # 将最小值之差除以范围组成矩阵
    normDataSet = normDataSet / tile(ranges, (m, 1))  # element wise divide
    return normDataSet, ranges, minVals

训练算法：此步骤不适用于 k-近邻算法

因为测试数据每一次都要与全量的训练数据进行比较，所以这个过程是没有必要的。

测试算法：使用海伦提供的部分数据作为测试样本。如果预测分类与实际类别不同，则标记为一个错误。

kNN 分类器针对约会网站的测试代码

def datingClassTest():
    """
    Desc:
        对约会网站的测试方法
    parameters:
        none
    return:
        错误数
    """
    # 设置测试数据的的一个比例（训练数据集比例=1-hoRatio）
    hoRatio = 0.1  # 测试范围,一部分测试一部分作为样本
    # 从文件中加载数据
    datingDataMat, datingLabels = file2matrix('input/2.KNN/datingTestSet2.txt')  # load data setfrom file
    # 归一化数据
    normMat, ranges, minVals = autoNorm(datingDataMat)
    # m 表示数据的行数，即矩阵的第一维
    m = normMat.shape[0]
    # 设置测试的样本数量， numTestVecs:m表示训练样本的数量
    numTestVecs = int(m * hoRatio)
    print 'numTestVecs=', numTestVecs
    errorCount = 0.0
    for i in range(numTestVecs):
        # 对数据测试
        classifierResult = classify0(normMat[i, :], normMat[numTestVecs:m, :], datingLabels[numTestVecs:m], 3)
        print "the classifier came back with: %d, the real answer is: %d" % (classifierResult, datingLabels[i])
        if (classifierResult != datingLabels[i]): errorCount += 1.0
    print "the total error rate is: %f" % (errorCount / float(numTestVecs))
    print errorCount

使用算法：产生简单的命令行程序，然后海伦可以输入一些特征数据以判断对方是否为自己喜欢的类型。

约会网站预测函数

def clasdifyPerson():
    resultList = ['not at all', 'in small doses', 'in large doses']
    percentTats = float(raw_input("percentage of time spent playing video games ?"))
    ffMiles = float(raw_input("frequent filer miles earned per year?"))
    iceCream = float(raw_input("liters of ice cream consumed per year?"))
    datingDataMat, datingLabels = file2matrix('datingTestSet2.txt')
    normMat, ranges, minVals = autoNorm(datingDataMat)
    inArr = array([ffMils, percentTats, iceCream])
    classifierResult = classify0((inArr-minVals)/ranges,normMat,datingLabels, 3)
    print "You will probably like this person: ", resultList[classifierResult - 1]

实际运行效果如下:

>>> kNN.classifyPerson()
percentage of time spent playing video games?10
frequent flier miles earned per year?10000
liters of ice cream consumed per year?0.5
You will probably like this person: in small doses

完整代码地址: https://github.com/apachecn/MachineLearning/blob/master/src/python/2.KNN/kNN.py

项目案例2: 手写数字识别系统

项目概述

构造一个能识别数字 0 到 9 的基于 KNN 分类器的手写数字识别系统。

需要识别的数字是存储在文本文件中的具有相同的色彩和大小：宽高是 32 像素 * 32 像素的黑白图像。

开发流程

收集数据：提供文本文件。
准备数据：编写函数 img2vector(), 将图像格式转换为分类器使用的向量格式
分析数据：在 Python 命令提示符中检查数据，确保它符合要求
训练算法：此步骤不适用于 KNN
测试算法：编写函数使用提供的部分数据集作为测试样本，测试样本与非测试样本的
         区别在于测试样本是已经完成分类的数据，如果预测分类与实际类别不同，
         则标记为一个错误
使用算法：本例没有完成此步骤，若你感兴趣可以构建完整的应用程序，从图像中提取
         数字，并完成数字识别，美国的邮件分拣系统就是一个实际运行的类似系统

收集数据: 提供文本文件

目录 trainingDigits 中包含了大约 2000 个例子，每个例子内容如下图所示，每个数字大约有 200 个样本；目录 testDigits 中包含了大约 900 个测试数据。

准备数据: 编写函数 img2vector(), 将图像文本数据转换为分类器使用的向量

将图像文本数据转换为向量

def img2vector(filename):
    returnVect = zeros((1,1024))
    fr = open(filename)
    for i in range(32):
        lineStr = fr.readLine()
        for j in range(32):
            returnVect[0,32*i+j] = int(lineStr[j])
    return returnVect

分析数据：在 Python 命令提示符中检查数据，确保它符合要求

在 Python 命令行中输入下列命令测试 img2vector 函数，然后与文本编辑器打开的文件进行比较:

>>> testVector = kNN.img2vector('testDigits/0_13.txt')
>>> testVector[0,0:31]
array([0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.])
>>> testVector[0,31:63]
array([0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.])

训练算法：此步骤不适用于 KNN

因为测试数据每一次都要与全量的训练数据进行比较，所以这个过程是没有必要的。

测试算法：编写函数使用提供的部分数据集作为测试样本，如果预测分类与实际类别不同，则标记为一个错误

def handwritingClassTest():
    # 1. 导入训练数据
    hwLabels = []
    trainingFileList = listdir('input/2.KNN/trainingDigits')  # load the training set
    m = len(trainingFileList)
    trainingMat = zeros((m, 1024))
    # hwLabels存储0～9对应的index位置， trainingMat存放的每个位置对应的图片向量
    for i in range(m):
        fileNameStr = trainingFileList[i]
        fileStr = fileNameStr.split('.')[0]  # take off .txt
        classNumStr = int(fileStr.split('_')[0])
        hwLabels.append(classNumStr)
        # 将 32*32的矩阵->1*1024的矩阵
        trainingMat[i, :] = img2vector('input/2.KNN/trainingDigits/%s' % fileNameStr)

    # 2. 导入测试数据
    testFileList = listdir('input/2.KNN/testDigits')  # iterate through the test set
    errorCount = 0.0
    mTest = len(testFileList)
    for i in range(mTest):
        fileNameStr = testFileList[i]
        fileStr = fileNameStr.split('.')[0]  # take off .txt
        classNumStr = int(fileStr.split('_')[0])
        vectorUnderTest = img2vector('input/2.KNN/testDigits/%s' % fileNameStr)
        classifierResult = classify0(vectorUnderTest, trainingMat, hwLabels, 3)
        print "the classifier came back with: %d, the real answer is: %d" % (classifierResult, classNumStr)
        if (classifierResult != classNumStr): errorCount += 1.0
    print "\nthe total number of errors is: %d" % errorCount
    print "\nthe total error rate is: %f" % (errorCount / float(mTest))

使用算法：本例没有完成此步骤，若你感兴趣可以构建完整的应用程序，从图像中提取数字，并完成数字识别，美国的邮件分拣系统就是一个实际运行的类似系统

完整代码地址: https://github.com/apachecn/MachineLearning/blob/master/src/python/2.KNN/kNN.py

KNN 小结

经过上面的介绍我们可以知道， k 近邻算法有 三个基本的要素：

• k 值的选择

  • k 值的选择会对 k 近邻算法的结果产生重大的影响。
  • 如果选择较小的 k 值，就相当于用较小的邻域中的训练实例进行预测，“学习”的近似误差（approximation error）会减小，只有与输入实例较近的（相似的）训练实例才会对预测结果起作用。但缺点是“学习”的估计误差（estimation error）会增大，预测结果会对近邻的实例点非常敏感。如果邻近的实例点恰巧是噪声，预测就会出错。换句话说，k 值的减小就意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合。
  • 如果选择较大的 k 值，就相当于用较大的邻域中的训练实例进行预测。其优点是可以减少学习的估计误差。但缺点是学习的近似误差会增大。这时与输入实例较远的（不相似的）训练实例也会对预测起作用，使预测发生错误。 k 值的增大就意味着整体的模型变得简单。
  • 近似误差和估计误差，请看这里：https://www.zhihu.com/question/60793482

• 距离度量

  • 特征空间中两个实例点的距离是两个实例点相似程度的反映。
  • k 近邻模型的特征空间一般是 n 维实数向量空间 。使用的距离是欧氏距离，但也可以是其他距离，如更一般的 距离，或者 Minkowski 距离。

• 分类决策规则

  • k 近邻算法中的分类决策规则往往是多数表决，即由输入实例的 k 个邻近的训练实例中的多数类决定输入实例的类。

• 作者：羊三 小瑶
• GitHub地址: https://github.com/apachecn/MachineLearning
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