k近邻算法（KNN）

Posted 2021-01-09 huangyc

1. 前言

K近邻法(k-nearest neighbors,KNN)是一种很基本的机器学习方法了，在我们平常的生活中也会不自主的应用，就是“物以类聚，人以群分”。比如，我们判断一个人的人品，只需要观察他来往最密切的几个人的人品好坏就可以得出了。这里就运用了KNN的思想。KNN方法既可以做分类，也可以做回归，这点和决策树算法相同。

KNN做回归和分类的主要区别在于最后做预测时候的决策方式不同。KNN做分类预测时，一般是选择多数表决法，即训练集里和预测的样本特征最近的K个样本，预测为里面有最多类别数的类别。而KNN做回归时，一般是选择平均法，即最近的K个样本的样本输出的平均值作为回归预测值。由于两者区别不大，虽然本文主要是讲解KNN的分类方法，但思想对KNN的回归方法也适用。本文后面主要介绍的是KNN的分类问题。

2. KNN算法原理

给定一个训练集，对新输入的实例，在训练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，我们就把该输入实例分为这个类。

2.1 算法描述

输入：训练数据集(T={(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_N,y_N)})，其中(x_iin{chi})为实例的特征向量，(y_iin{{c_1,c_2,...,c_m}})为实例的类别；实例特征向量x

输出：实例x所属的类别y

1. 根据给定的距离度量方式，在训练集T中找到与x最邻近的k个点，涵盖着k个点的x的领域记住(N_k(x))
2. 在(N_k(x))中根据分类决策规则决定x的类别y
   [ y=argmax_{c_j}sum_{x_iin{N_k(x)}}I(y_i=c_j) ]
   其中(I(y_i=c_j))为指示函数，当(y_i=c_j)的时候(I=1)，后者(I=0)

3. KNN的基本要素

对于一个确定的训练集，只要确定了距离度量、k值和分类决策规则，就能对任何一个新的实例，确定它的分类。

3.1 距离度量

距离度量是描述特征空间中两个实例的距离，也是这两个实例的相似程度。在n维实数向量空间中，我们主要使用的距离度量方式是欧式距离，但也可以使用更加一般化(L_p)距离（闵可夫斯基距离）。

在特征空间中，取出两个特征(x_i)，(x_j)，它们分别是n维的特征向量。

3.1.1 欧氏距离

[ L_2(x_i,x_j)=(sum_{l=1}^n|x_i^l-x_j^l|)^{frac{1}{2}} ]

3.1.2 曼哈顿距离

[ L_1(x_i,x_j)=sum_{l=1}^n|x_i^l-x_j^l| ]

3.1.3 闵可夫斯基距离

[ L_p(x_i,x_j)=(sum_{l=1}^n|x_i^l-x_j^l|)^{frac{1}{p}} ]
从上式可以看出，欧氏距离和曼哈顿距离分别是闵可夫斯基距离的((p=2,p=1))特殊情况

3.2 k值的选择

对于k值的选择，没有一个固定的经验，一般根据样本的分布，选择一个较小的值，然后通过交叉验证选择一个合适的k值。

• 选择较小的k值，就相当于用较小的领域中的训练实例进行预测，训练误差会减小，只有与输入实例较近或相似的训练实例才会对预测结果起作用，与此同时带来的问题是泛化误差会增大。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。
• 选择较大的k值，就相当于用较大领域中的训练实例进行预测，其优点是可以减少泛化误差，但缺点是训练误差会增大。这时候，与输入实例较远（不相似的）训练实例也会对预测器作用，使预测发生错误。换句话说，k值的增大就意味着整体的模型变得简单，容易发生欠拟合。

一个极端是k等于样本数m，则完全没有分类，此时无论输入实例是什么，都只是简单的预测它属于在训练实例中最多的类，模型过于简单。

3.3 分类决策规则

对于分类决策规则，一般都是使用前面提到的多数表决法。

4. kd树

KNN算法最简单的实现方式，就是好计算输入实例和所有训练实例的距离，然后进行排序，取前k个，进行分类。但是训练集特别大的时候，这种方式非常耗时，不可行。下面介绍kd树的方式，kd树是通过减少输入实例和训练实例的计算次数来达到优化的目的。

kd树算法包括三步，第一步是建树，第二部是搜索最近邻，最后一步是预测。

4.1 构造kd树

kd树是一种对n维空间的实例点进行存储，以便对其进行快速检索的树形结构。kd树是二叉树，构造kd树相当于不断的用垂直于坐标轴的超平面将n维空间进行划分，构成一系列的n维超矩阵区域。

我们首先来看建树的方法。kd树建树采用的是从m个样本的n维特征中，分别计算n个特征的取值的方差，用方差最大的第k维特征(n_k)来作为根节点。对于这个特征，我们选择特征nk的取值的中位数(n_{kv})对应的样本作为划分点，对于所有第k维特征的取值小于(n_{kv})的样本，我们划入左子树，对于第k维特征的取值大于等于(n_{kv})的样本，我们划入右子树，对于左子树和右子树，我们采用和刚才同样的办法来找方差最大的特征来做更节点，递归的生成kd树。

下面的流程图更加清晰的描述了kd树的构建过程：

构建好的kd树，大概如下：

4.2 kd树搜索最近邻

当我们生成kd树以后，就可以去预测测试集里面的样本目标点了。预测的过程如下：

1. 对于一个目标点，我们首先在kd树里面找到包含目标点的叶子节点。以目标点为圆心，以目标点到叶子节点样本实例的距离为半径，得到一个超球体，最近邻的点一定在这个超球体内部。
2. 然后返回叶子节点的父节点，检查另一个子节点包含的超矩形体是否和超球体相交，如果相交就到这个子节点寻找是否有更加近的近邻,有的话就更新最近邻，并且更新超球体。如果不相交那就简单了，我们直接返回父节点的父节点，在另一个子树继续搜索最近邻。
3. 当回溯到根节点时，算法结束，此时保存的最近邻节点就是最终的最近邻。

从上面的描述可以看出，kd树划分后可以大大减少无效的最近邻搜索，很多样本点由于所在的超矩形体和超球体不相交，根本不需要计算距离。大大节省了计算时间。

搜索过程，大致如下：

4.3 kd树预测

有了kd树搜索最近邻的办法，kd树的预测就很简单了，在kd树搜索最近邻的基础上，我们选择到了第一个最近邻样本，就把它置为已选。在第二轮中，我们忽略置为已选的样本，重新选择最近邻，这样跑k次，就得到了目标的k个最近邻。然后根据多数表决法，如果是KNN分类，预测为k个最近邻里面有最多类别数的类别。如果是KNN回归，用k个最近邻样本输出的平均值作为回归预测值。