机器学习-5.k-近邻算法（KNN）

Posted 2022-12-06 wyply115

1. 定义

• 定义：所谓K近邻算法，即是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（也就是上面所说的K个邻居）， 这K个实例的多数属于某个类，就把该输入实例分类到这个类中。
• 白话来讲就是通过你的“邻居”来推断你的类别。
• 上述概念中讲最临近，那如何求最临近？也就是如何求距离？
• 两个样本的距离可通过如下公式进行计算，又叫做欧式距离。
• 比如说，a(a1,a2,a3)，b(b1,b2,b3)，则：
  $$欧式距离=\sqrt{(a1-b1{)}^2+(a2-b2{)}^2+(a3-b3{)}^2}$$
• 由上述公式看出有平方和平方根，因此在计算距离时需要做标准化处理。
• API：sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=5，algorithm=‘auto’)

1. n_neighbors：int，可选（默认=5），k_neighbors查询默认使用的邻居数。
2. algorithm：｛‘auto’，‘ball_tree’，‘kd_tree’，‘brute’｝，可选用于计算最近邻居的算法，ball_tree将会使用BallTree；kd_tree将使用KDTree；auto将尝试根据传递给fit方法的值来决定最合适的算法。（不同实现方式影响效率，一般auto即可。）

2. 案例

• 案例：facebook和kaggle推出的一项竞赛题，根据提供的数据预测入驻签到位置。
• 数据可从：https://www.kaggle.com/c/facebook-v-predicting-check-ins/data 中下载test.csv和train.csv。官网上可以看到竞赛最高分数：0.62279。当然这里仅演示knn算法，目的不是如何分析得出高分。
• 数据的结构：
  
  如上，row_id：签入事件的id；x y ：坐标； acuracy：定位精度即误差；time：时间戳；place_id：业务id，预测的目标值。
• 分析：row_id 和预测的入住位置没有关系。xy坐标、acuracy精度、时间戳对预测入住位置都会有影响，可以作为特征值。place_id是目标值，有特征值和目标值，可以做监督学习，由于预测目标值是离散数据，属于分类问题。这里讲knn算法，因此在这里就用knn算法了。
• 特征值：xy坐标、acuracy、时间戳（一般需要进行处理，这里处理为年、月、日、周、时分秒，当作新特征）
• 目标值：place_id，类别太多，降低了准确性，可以将制定签到人数的位置删除（比如一个酒店一年就入驻3人，就没必要要了）
• 数据展示如下：
  

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split
import pandas as pd

def knncls():
    '''
    k近邻预测用户签到位置
    开发流程：
    1. 数据的基本处理（读取数据、处理数据、分割数据集）
    2. 特征工程（标准化）
    3. 建立模型（这里演示用knn算法）
    4. 模型评估（计算得分）
    :return: None
    '''

    # 读取数据
    data = pd.read_csv("./data/train.csv")

    # 处理数据
    # 1.缩小数据（数据较多，如果运行太慢，为了方便演示可以缩小下数据）
    data = data.query("x>1.0 & x<1.25 & y>2.5 & y<2.75")

    # 2. 处理时间
    train_time_value = pd.to_datetime(data['time'],unit="s") # 返回格式是：1970-01-01 22:25:01
    # 3. 把时间转换为字典格式
    train_time_value = pd.DatetimeIndex(train_time_value)

    # 根据时间戳构造新特征
    data['day'] = train_time_value.day
    data['hour'] = train_time_value.hour
    data['weekday'] = train_time_value.weekday

    # 把签到数量少于n个的位置删除，先分组统计数量，然后保留>n个的，最后根据保留的place_id将data里多余的删除
    place_count = data.groupby('place_id').count()
    tf = place_count[place_count.row_id > 3].reset_index()
    data = data[data['place_id'].isin(tf.place_id)]

    # 删除无用的特征，时间戳和row_id
    data = data.drop(['time'], axis=1)  # pandas中1表示列，和sklearn中正好相反
    data = data.drop(['row_id'], axis=1)

    # 取出数据中的特征值x和目标值y
    y = data['place_id']
    x = data.drop(['place_id'],axis=1)

    # 进行数据的分割成一部分训练集和测试集
    # 0.25是测试集的保留比例，返回：训练特征值、测试特征值、训练目标值、测试目标值
    x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x,y,test_size=0.25)

    # 特征工程（标准化）
    std = StandardScaler()
    # 对测试集和训练集的特征值进行标准化
    x_train = std.fit_transform(x_train)
    x_test = std.fit_transform(x_test)

    # 进行算法预测
    knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
    knn.fit(x_train,y_train)
    y_predict = knn.predict(x_test) # 预测出的目标值
    print("预测的准确率：", knn.score(x_test,y_test))

    return None


if __name__ == '__main__':
    knncls()

• 输出结果：预测的准确率： 0.474468085106383

3. 总结

• knn算法中的k值取值多少合适，有什么影响？

1. k值取很小时：容易受异常点影响
2. k值取很大时：容易受k值数量（类别）波动

• knn算法优点：简单易于理解，易于实现，无需估计参数（算法内的参数），无需训练。
• 缺点

1. 懒惰算法，对测试样本分类时的计算量大，内存开销大。
2. 必须指定k值，k值取值不当时分类精度不能保证。

• 适用场景：小数据场景，几千到几万样本，具体场景具体去测试看效果。