《统计学习方法》（第三章）—— K邻近

K邻近算法

• 定义: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，这K个实例的多数属于某个类，就把该输入实例分为这个类。
• 算法：
    输入：训练数据集：
      T={(x1,y1),(x2,y2),....,(xN,yN)}T=\{(x_1,y_1),(x_2,y_2),....,(x_N,y_N)\}T={(x1​,y1​),(x2​,y2​),....,(xN​,yN​)}其中$x_i\in \chi \subseteq R^n$，为实例的特征向量，yi∈γ={c1,c2,...,ck}y_i \in\gamma=\{c_1,c_2,...,c_k\}yi​∈γ={c1​,c2​,...,ck​}为实例的类别，$i=1,2,....,N;$实例特征向量$x$;
    输出：实例$x$所属类别$y$
  • $(1)$根据给定的距离度量，在训练集$T$中找出与$x$最邻近的$k$个点，涵盖这个$k$个点的$x$的邻域记作$N_k(x);$
  • $(2)$在$N_k(x)$中根据分类决策规则（如多数表决）决定$x$的类别$y;$
        $y=argma{x}_{c_j}\sum _{x_i\in N_k(x)}I(y_i=c_j)$    $i=1,2,....,N;j=1,2,...,K$
        $I$为指示函数，如果条件成立则是$1$，否则是$0$,$K=1$称为最邻近，$K$邻近没有显式的学习过程

K邻近模型

• 模型
    训练集，距离度量，$k$值和分类决策规则确定后，就可以对任何一个新的输入实例进行预测
• 距离度量
  • $L_p(x_i,x_j)=(\sum _{l=1}^n|x_i^{(l)}-x_j^{(l)}|{)}^{\frac{1}{p}}$
  • $p=2$时为欧式距离
  • $p=1$时为曼哈顿距离
  • $p=\infty$时$L_{\infty }(x_i,x_j)={\max }_l|x_i^{(l)}-x_j^{(l)}|$
• K值的选择
  • K值大则模型简单，近似误差大，估计误差小
  • K值小则模型复杂，近似误差小，估计误差大
• 分类决策规则
  • 多数表示规则：
       如果分类的损失函数为$0-1$损失函数,分类函数f:Rn→{c1,c2,...,ck}f:R^n\to\{c_1,c_2,...,c_k\}f:Rn→{c1​,c2​,...,ck​}那么误分类的概率是
      $P(Y\ne f(X))=1-P(Y=f(X))$对给定区域经验损失函数
      $Loss=\frac{1}{k}\sum _{x_i\in N_k(x)}I(y_i\ne c_i)=1-\frac{1}{k}\sum _{x_i\in N_k(x)}I(y_i=c_i)$
      要使$Loss$最小，就要使$\sum _{x_i\in N_k(x)}I(y_i=c_i)$,最大，所以得证

KD树

• 构造KD树
  • 算法：
      输入：$k$维空间数据集合T={(x1,y1),(x2,y2),....,(xN,yN)}T=\{(x_1,y_1),(x_2,y_2),....,(x_N,y_N)\}T={(x1​,y1​),(x2​,y2​),....,(xN​,yN​)},其中$x_i=(x_i^{(1)},x_i^{(2)},...,x_i^{(k)}{)}^T$
     $i=1,2,...,N;$
      输出：$kd$树
    • $(1)$开始，构造根节点，根节点对应于包含$T$的$k$维空间的超矩形区域，选择$x^{(1)}$为坐标轴， 以$T$中的所以实例对$x^{(1)}$为中位数，分类左右两个子集，左子集小于$x^{(1)}$,右子集大于$x^{(1)}$，等于$x^{(1)}$则存在根节点，形成一个二叉树结构
    • $(2)$重复:以上一次划分为起点，设上一次划分为$j$维，则重新选$j=j(\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}k)+1,$重新按照$(1)$进行操作
    • $(3)$直到两个子区域没有实例存在时停止。从而形成$kd$树
• KD树的搜索：
  • 算法：
      输入：测试点$(x,y)$
      输出：类别
    • $(1)$按照最初划分规则递归的寻找包含测试点的最小子区域，先把它定位最近点
    • $(2)$返回父亲节点，如果此时选中节点集合个数小于$k$，则加入父亲节点，如果选中节点集合个数还小于$k$则加入另一个子节点,如果等于$k$则判断里面最远点和要加入点的距离，如小于最远点的化则更新，选择点的集合，同时如果最远集合的点的圆与子节点区域相交，也需要去判断一下。
    • $(3)$直到所有递归完成，最后集合里面就是k个最近的点，根据决策规则进行统计答案输出
      我们这里集合可以用优先队列来维护

课后实现