机器学习算法系列（一）-- K近邻法（KNN）

机器学习算法之–K近邻法

一、算法原理

1.1 核心思想

给定一个训练数据集，对于新输入的实例，在训练数据集中找到与该实例最近的k个实例，这k个实例的多数属于某个类，就将该输入实例划分为某个类

通俗来说，就是未标记的样本类别，由距离其最近的k个邻居投票决定，少数服从多数

1.2 伪代码

x_train: 已标记样本；x_test：待标记样本

• 遍历X_train中所有样本，计算每个样本与X_test的距离，将距离保存在Distance数组中；
• 将Distance数组排序，取距离最近的k个点，记为x_knn；
• 在x_knn中统计每个类别的个数；
• 待标记样本类别=x_knn中样本个数组多的那个类别。

1.3 优缺点

优点：准确性高，对异常值与噪声有较高的容忍度。
缺点：计算量大，内存需求大。

二、算法模型

k近邻法使用的模型实际上对应于对特征空间的划分。模型由三个基本要素构成——距离度量，k值选择和分类决策规则来决定。

2.1 距离度量

一般使用欧氏距离
当然除了欧式距离之外还可以采用 曼哈顿距离 等其他计算法，但要注意的是，由不同的距离度量所确定的最近邻点是不同的。

2.2 k值选择

k值的选择会对算法结果产生重大影响

• k值越小，就相当于用较小的邻域中的训练实例来进行预测，只有与输入实例较近的训练实例，才会对预测结果起作用，学习的近似误差会越小，模型方差越大；换句话说，k值的减小就意味着整体模型变得复杂，k值太小时容易发生过拟合
• k值越大，就相当于用较大邻域中的实例进行预测，模型偏差越大，对于噪声数据越不敏感；也就是k值的增大就意味着整体模型变得简单，k值太大时容易发生欠拟合

一般采取交叉验证法来选取合适的k值

2.3 分类决策规则

K近邻法中的分类规则往往是多数表决，也就是输入实例的k个邻近的训练实例中，多数类决定输入类。

三、算法优化

该算法实现最简单的就是线性扫描，也就是基于其基本思想。意味着要计算输入实例与每个训练实例的距离。当训练集很大时，时间复杂度非常高。

为了提高搜索效率，可考虑使用特殊的结构来存储训练数据，以减少计算距离的次数。如：K-D Tree、Ball Tree。

• K-D Tree：基本思想：将距离信息存储在一棵树中（若A、B两点距离很远，而B、C又很近，则A与C也必定离得很远，可以根据该理念来实当避免大部分不必要的搜索，从而减少搜索的计算量）

• Ball Tree是在kd树的基础上进一步优化之后的方法

四、算法实战

KNN算法实战可参考该博客：《机器学习实战》第二章 Python3代码-（亲自修改测试可成功运行）

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