01. KNN 算法详解

最新推荐文章于 2021-03-19 20:43:15 发布

张念

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本文深入讲解kNN算法，包括其核心思想、工作原理、距离度量、算法步骤、实战应用及优缺点分析。同时对比了kNN与k-means算法的区别。

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kNN算法的核心思想是如果一个样本在特征空间中的k个最相邻的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别，并具有这个类别上样本的特性。该方法在确定分类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别。 kNN方法在类别决策时，只与极少量的相邻样本有关。由于kNN方法主要靠周围有限的邻近的样本，而不是靠判别类域的方法来确定所属类别的，因此对于类域的交叉或重叠较多的待分样本集来说，kNN方法较其他方法更为适合

1、k-近邻法简介

k近邻法(k-nearest neighbor, k-NN)是1967年由Cover T和Hart P提出的一种基本分类与回归方法。它的工作原理是：存在一个样本数据集合，也称作为训练样本集，并且样本集中每个数据都存在标签，即我们知道样本集中每一个数据与所属分类的对应关系。输入没有标签的新数据后，将新的数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较，然后算法提取样本最相似数据(最近邻)的分类标签。一般来说，我们只选择样本数据集中前k个最相似的数据，这就是k-近邻算法中k的出处，通常k是不大于20的整数。最后，选择k个最相似数据中出现次数最多的分类，作为新数据的分类。

2、距离度量

距离的定义是一个宽泛的概念：只要满足非负、自反、三角不等式就可以称之为距离。其中非负是指任意两个相异点的距离为正；自反是Dis(y,x)=Dis(x,y)；三角不等式是Dis(x,z)<=Dis(x,y)+Dis(y,z)

1) 马氏距离（闵可夫斯基距离）

其中d是维数，p是阶数，也称为p范数。
当p=1时，是曼哈顿距离
当p=2时，是欧氏距离
当p→∞时，是切比雪夫距离
当p=0时，是海明距离

2) 欧氏距离

两点间的直线距离（一般用两条竖线||w||代表w的2范数）代入公式：

3) 曼哈顿距离（城市街区距离）

各坐标数值差的和，就像汽车只能行驶在横平竖直的街道上，代入公式：

4) 切比雪夫距离

各坐标数值差的最大值，当马氏距离的p→∞时，最终的结果取决于距离最大的维度上的距离：
Dis∞=maxj|xj-yj|
在二维的情况下：c=max(a,b)

5) 海明距离

L0范数并不是一个真正的范数，它主要被用来度量向量中非零元素的个数。

6) 总结

图片从上到下依次显示a与b点的三种距离：欧氏距离（蓝色），切比雪夫距离（红色），曼哈顿距离（绿色）

3、k-近邻法算法思想

算法步骤如下：

计算已知类别数据集中的点与当前点之间的距离；
按照距离递增次序排序；
选取与当前点距离最小的k个点；
确定前k个点所在类别的出现频率；
返回前k个点所出现频率最高的类别作为当前点的预测分类。

4、k-近邻法算法实战

import matplotlib.pyplot as plt  
import numpy as np  
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn import datasets 
 
iris = datasets.load_iris() 
X = iris.data[:, :4]   #表示我们取特征空间中的4个维度
print(X.shape)
 
# 绘制数据分布图
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c="red", marker='o', label='see')  
plt.xlabel('petal length')  
plt.ylabel('petal width')  
plt.legend(loc=2)  
plt.show()  
 
estimator = KMeans(n_clusters=3)  # 构造聚类器
estimator.fit(X)  # 聚类
label_pred = estimator.labels_  # 获取聚类标签

# 绘制k-means结果
x0 = X[label_pred == 0]
x1 = X[label_pred == 1]
x2 = X[label_pred == 2]
plt.scatter(x0[:, 0], x0[:, 1], c="red", marker='o', label='label0')  
plt.scatter(x1[:, 0], x1[:, 1], c="green", marker='*', label='label1')  
plt.scatter(x2[:, 0], x2[:, 1], c="blue", marker='+', label='label2')  
plt.xlabel('petal length')  
plt.ylabel('petal width')  
plt.legend(loc=2)  
plt.show()

5、k-近邻法算法优缺点分析

优点：

简单好用，容易理解，精度高，理论成熟，既可以用来做分类也可以用来做回归；
可用于数值型数据和离散型数据；
训练时间复杂度为O(n)；无数据输入假定；
对异常值不敏感

缺点

计算复杂性高；空间复杂性高；
样本不平衡问题（即有些类别的样本数量很多，而其它样本的数量很少）；
一般数值很大的时候不用这个，计算量太大。但是单个样本又不能太少，否则容易发生误分。
最大的缺点是无法给出数据的内在含义

6、k-means处理过程

k-近邻算法的一般流程：

收集数据：可以使用爬虫进行数据的收集，也可以使用第三方提供的免费或收费的数据。一般来讲，数据放在txt文本文件中，按照一定的格式进行存储，便于解析及处理。
准备数据：使用Python解析、预处理数据。
分析数据：可以使用很多方法对数据进行分析，例如使用Matplotlib将数据可视化。
测试算法：计算错误率。
使用算法：错误率在可接受范围内，就可以运行k-近邻算法进行分类。

7、k-means 和 KNN

初学者很容易把K-Means和KNN搞混，两者其实差别还是很大的。

　　K-Means是无监督学习的聚类算法，没有样本输出；而KNN是监督学习的分类算法，有对应的类别输出。KNN基本不需要训练，对测试集里面的点，只需要找到在训练集中最近的k个点，用这最近的k个点的类别来决定测试点的类别。而K-Means则有明显的训练过程，找到k个类别的最佳质心，从而决定样本的簇类别。

　　当然，两者也有一些相似点，两个算法都包含一个过程，即找出和某一个点最近的点。两者都利用了最近邻(nearest neighbors)的思想

引用：

https://en.wikipedia.org/wiki/K-means_clustering