第2章 k-近邻算法
k-近邻算法首页
KNN 概述
k-近邻（kNN, k-NearestNeighbor）算法主要是用来进行分类的.
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？
- 动作片：打斗次数更多
- 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。
电影按照题材分类
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
- 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。
- 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。
- 计算新数据与样本数据集中每条数据的距离。
- 对求得的所有距离进行排序（从小到大，越小表示越相似）。
- 取前 k （k 一般小于等于 20 ）个样本数据对应的分类标签。
- 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 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：
- 工作日与魅力一般的人约会
- 周末与极具魅力的人约会
- 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。
KNN散点图
- 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）
| 序号 | 玩视频游戏所耗时间百分比 | 每年获得的飞行常客里程数 | 每周消费的冰淇淋公升数 | 样本分类 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.8 | 400 | 0.5 | 1 |
| 2 | 12 | 134 000 | 0.9 | 3 |
| 3 | 0 | 20 000 | 1.1 | 2 |
| 4 | 67 | 32 000 | 0.1 | 2 |
样本3和样本4的距离：
计算样本3 和 样本4 的距离
归一化特征值，消除特征之间量级不同导致的影响
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。
KNN 手写数字识别示例
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
- 作者：羊三 小瑶
- GitHub地址: https://github.com/apachecn/MachineLearning
- 版权声明：欢迎转载学习 => 请标注信息来源于 ApacheCN
