k-NN分类算法详解与分析(k近邻分类算法)

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k近邻分类算法

k近邻分类算法，即k-NN算法，可以说是最简单的机器学习算法。

核心思想就是，通过测量预测的数据点与已训练数据点之间 距离 ，寻找距离 最近的已训练数据点 (最近的训练数据点 个数 由算法使用者自己指定，适中即可)的标签结果，即为测试数据点的预测结果。

K = 1时的预测情况

可见下图：

import mglearn
# n_neighbors = 1，这里指定 k-NN 算法的最近近邻数据点的个数 n = 1,绘图
mglearn.plots.plot_knn_classification(n_neighbors=1)

其中三个预测点(五角星标识test pred)，分别找到了与它们最近的一个已训练数据点，并根据近邻训练点的结果，得到预测结果。

k = 3 时的预测情况

在考虑多余一个邻居的情况下，使用投票法(voting)来指定标签，即出现次数更多的类别作为预测结果。

可见下图:

import mglearn
# n_neighbors = 3，这里指定 k-NN 算法的最近近邻数据点的个数 n = 3,绘图
mglearn.plots.plot_knn_classification(n_neighbors=3)

同上图，预测结果也可以从五角星的颜色中得出，可得，当邻居个数不同时，预测结果也会不同。

k = 5 时的预测情况

可见下图:

import mglearn
# n_neighbors = 5，这里指定 k-NN 算法的最近近邻数据点的个数 n = 5,绘图
mglearn.plots.plot_knn_classification(n_neighbors=5)

可见，预测需要考虑的情况越来越复杂。

那幺是否是选定邻居越多时预测越准确呢？

答案是否定的，我们可以使用鸢尾花分类这个案例对 k-NN 算法进行分析。

实战—-鸢尾花分类(不同k值对预测值的影响)

from IPython.display import display
from sklearn.datasets import load_iris                  # 加载sklearn默认的数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# 获取 iris 数据集内容
iris_dataset = load_iris()
# 其中X_train, y_train表示训练集的数据与标签, X_test，y_test表示测试集的数据与标签，返回值均为 numpy 数组
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(iris_dataset['data'], iris_dataset['target'], random_state=0)
print('X_train shape: {}'.format(X_train.shape))
print('y_train shape: {}'.format(y_train.shape))
print('X_test shape: {}'.format(X_test.shape))
print('y_test shape: {}'.format(y_test.shape))
print('--------------------------------------')
train_pres = []
test_pres = []
# 通过循环 来判断随着邻居个数的增加，预测准确率的变化
for i in range(1, 39):
    
    knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=i)
    knn.fit(X_train, y_train)
    train_pre = knn.score(X_train, y_train)
    test_pre = knn.score(X_test, y_test)
    
    train_pres.append(train_pre)        #将训练集的预测结果追加到训练集预测结果列表中
    test_pres.append(test_pre)          #将测试集的预测结果追加到测试集预测结果列表中
    
train_pre_points = np.array(train_pres)
test_pre_points = np.array(test_pres)
# 通过绘图展示随着 k 的变大，训练集与测试集精确度的变化
plt.plot(train_pre_points, '.-r')                 #红色的线条代表训练集的精确度变化
plt.plot(test_pre_points, '.-g')                  #绿色的线条代表测试集的精确度变化

X_train shape: (112, 4)
y_train shape: (112,)
X_test shape: (38, 4)
y_test shape: (38,)
--------------------------------------

[<matplotlib.lines.Line2D at 0x2a2702c60b8>]

由此可知，当k的值变大时，预测的精确度不一定会更加精准，甚至会精度降低。

所以在 k-NN算法中，对于k的取值，要根据情况实时调整，才能保证模型预测的准确率。

k-NN算法的最显着的有点就是容易理解、模型构建快，不需要过多调节就能得到不错的效果。

但缺点是不能处理过多特征的数据集，另外对于稀疏矩阵的处理尤其不好，所以在实践中用到的往往很少。