Python KNN 算法

本文深入探讨了KNN算法的基本原理,包括其定义、工作流程及应用示例。通过对比不同K值对分类结果的影响,阐述了如何选择最优K值。此外,还提供了KNN算法的Python实现代码,帮助读者理解并掌握该算法的实际操作。

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KNN算法


博文类型: 学习向
背景: 本科阶段参加数学建模比赛对于数据归类方面的赛题,需要用该技术得到的结果与其他技术得到的结果进行比较
目标: 了解什么是knn算法并能进行初步的运用


一、前期准备

  • python环境
  • matplotlib、numpy、Counter模块
  • 示例数据

二、正文

1.KNN的定义

邻近算法,或者说K最近邻(kNN,k-NearestNeighbor)分类算法是数据挖掘分类技术中最简单的方法之一。
所谓K最近邻,就是k个最近的邻居的意思,说的是每个样本都可以用它最接近的k个邻居来代表。
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。

2.KNN的流程

在这里插入图片描述
上图中,绿色圆要被决定赋予哪个类,是红色三角形还是蓝色四方形?如果K=3 ,由于红色三角形所占比例为2/3,绿色圆将被赋予红色三角形那个类,如果K=5,由于蓝色四方形比例为3/5,因此绿色圆被赋予蓝色四方形类。
备注1::
KNN算法不仅可以用于分类,还可以用于回归。通过找出一个样本的k个最近邻居,将这些邻居的属性的平均值赋给该样本,就可以得到该样本的属性。更有用的方法是将不同距离的邻居对该样本产生的影响给予不同的权值(weight),如权值与距离成反比。(这个以后再学

3.示例

现有苹果和西瓜两个类别,它们包含两个特征:体积,表皮颜色
苹果的颜色等级分为1-5,西瓜的颜色等级分为6-10
苹果类别为1
西瓜类别为2
在这里插入图片描述
以体积为横轴、以表皮颜色为纵轴作图:
代码1:

import matplotlib.pyplot as pl
x=[1,1.2,1.5,1.8]
y=[1,3,4,5]
a=[12.5,15,13.2,11.2,16.5]
b=[8,6,9,10,7]
pl.plot(x,y,'or')
pl.plot(a,b,'o')
pl.show()

结果1:
红色代表苹果,蓝色代表西瓜
在这里插入图片描述

4.KNN代码展示和分析

1.KNN过程代码

代码2:

import numpy as np#这个是用来搞数学数组的
from collections import Counter#这个是用来搞统计的
def predict(train,values,pre,k):#预测 train:训练组的特征 values:每个样品的类别 pre:待预测的样品 k:选择距离最近的k个
    result_final=[]#用来存放最后的预测结果
    for pre_son in pre:
        distances=[sum((i-pre_son)**2) for i in train]#算距离
        nearest=np.argsort(distances)#按索引排序
        result=[values[i] for i in nearest[:k]]
        result_fin=Counter(result)#统计每个类别的个数
        result_final.append(result_fin.most_common(1)[0][0])#取最多的那一个
    return result_final
def sorce(train,value,q):#算正确率
    a=train[:q]
    b=train[q:]
    a_r=value[:q]
    b_r=value[q:]
    c=predict(a,a_r,b,3)
    print(sum(c==b_r)/len(b_r))
    
x=np.array([[11.2,10],[1,1],[1.2,3],[13.2,9],[1.5,4],[15,6],[1.8,5],[12.5,8],[16.5,7]])
y=np.array([1,1,1,1,2,2,2,2,2])
z=np.array([[8,7],[3,5]])
predict(x,y,z,3)
sorce(x,y,4)

这个数据是我自己瞎写的数据量很少,而且不准确导致KNN算法的效果不是很好

2.k值的确定

上面代码中有一个正确率的方法,我打算用这个方法来算正确率最高的那一个k值
我先确定了一个k的取值范围然后用如下代码来选取k:
代码3:

def sorce(train,value,q):#算正确率
    ar=[]
    for i in range(1,12):
        a=train[:q]
        b=train[q:]
        a_r=value[:q]
        b_r=value[q:]
        c=predict(a,a_r,b,3)
        ar.append(sum(c==b_r)/len(b_r))
    arr=np.argsort(np.array(ar))
    print(arr[0]+1)

### PythonKNN算法的实现与使用 #### 使用`scikit-learn`库中的KNN分类器 在Python中,可以利用`scikit-learn`库快速构建并应用KNN(K近邻)分类器。以下是基于该库的一个简单示例: ```python from sklearn.datasets import load_iris from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier from sklearn.metrics import accuracy_score # 加载数据集 data = load_iris() X, y = data.data, data.target # 数据分割为训练集和测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42) # 特征标准化处理 scaler = StandardScaler() X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train) X_test_scaled = scaler.transform(X_test) # 初始化KNN分类器,设定k=3 clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3) # 设置参数n_neighbors表示k值[^1] # 训练模型 clf.fit(X_train_scaled, y_train) # 预测测试集 y_pred = clf.predict(X_test_scaled) # 输出准确率 accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred) print(f"测试集上的准确率为: {round(accuracy * 100, 2)}%") ``` 此代码展示了如何加载数据、划分训练集与测试集、特征标准化以及创建和评估KNN分类器。 --- #### 手动实现KNN算法 如果希望深入了解KNN的工作原理,则可以通过手动编写其实现逻辑。以下是一个简单的手写版本: ```python import numpy as np from collections import Counter def knn_predict(in_data, train_data, train_labels, k): """ 输入单个样本的数据向量in_data, 返回预测类别。 """ distances = [] # 计算欧几里得距离 for idx in range(len(train_data)): dist = np.sqrt(np.sum((in_data - train_data[idx]) ** 2)) distances.append((dist, train_labels[idx])) # 对距离排序并取前k个最近邻居 sorted_distances = sorted(distances)[:k] # 统计频率最高的标签作为最终预测结果 labels = [label for _, label in sorted_distances] most_common_label = Counter(labels).most_common(1)[0][0] return most_common_label # 测试函数 if __name__ == "__main__": # 构造一些虚拟数据用于演示 train_data = np.array([[1, 2], [2, 3], [3, 1], [6, 5], [7, 7], [8, 6]]) train_labels = ['A', 'A', 'A', 'B', 'B', 'B'] input_sample = np.array([5, 7]) prediction = knn_predict(input_sample, train_data, train_labels, k=3) print(f"预测结果为: {prediction}") ``` 这段代码实现了核心部分——计算欧几里得距离,并通过投票机制决定输入样本所属类别[^2]。 --- #### 关键点解析 1. **K的选择** 参数`k`决定了考虑多少个最接近的邻居来做出决策。较小的`k`可能导致过拟合,而较大的`k`可能引入噪声影响准确性[^1]。 2. **距离度量方式** 常见的距离度量有欧几里得距离、曼哈顿距离等,默认情况下通常采用欧几里得距离[^2]。 3. **数据预处理的重要性** 在实际应用中,建议对原始数据进行归一化或标准化操作,以消除不同维度间数值范围差异带来的干扰。 ---
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