机器学习之k近邻算法教程(代码实战,详解核心算法)

本文是一篇关于k近邻(k-Nearest Neighbors, KNN)算法的教程,涵盖从引入相关依赖,到数据加载与预处理,再到核心算法的详细解释和实际代码实现。此外,还提供了使用sklearn库快速应用KNN算法的方法。" 79656976,5562365,OpenGL3.3+IMGUI 实现三角形着色与交互,"['图形学', 'OpenGL', 'GUI开发', '着色器', '计算机图形学']

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k近邻算法

1.引入依赖

import numpy as np
import pandas as pd

# 这里直接引入sklearn里的数据集,iris鸢尾花
from sklearn.datasets import load_iris 
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 切分数据集为训练集和测试集
from sklearn.metrics import accuracy_score # 计算分类预测的准确率

2.数据加载和预处理

iris = load_iris()

df = pd.DataFrame(data = iris.data, columns = iris.feature_names)
df['class'] = iris.target
df['class'] = df['class'].map({0: iris.target_names[0], 1: iris.target_names[1], 2: iris.target_names[2]})
df.head(10)
df.describe()

在这里插入图片描述

x = iris.data
y = iris.target.reshape(-1,1)
print(x.shape, y.shape)

在这里插入图片描述

# 划分训练集和测试集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3, random_state=35, stratify=y)

print(x_train.shape, y_train.shape)
print(x_test.shape, y_test.shape)


a = np.array([[3,2,4,2],
             [2,1,4,23],
             [12,3,2,3],
             [2,3,15,23],
             [1,3,2,3],
             [13,3,2,2],
             [213,16,3,63],
             [23,62,23,23],
             [23,16,23,43]])
b = np.array([[1,1,1,1]])
print(a-b)
np.sum(np.abs(a - b), axis=1)
dist = np.sqrt( np.sum((a-b) ** 2, axis=1) )
print(dist)

在这里插入图片描述

3. #核心算法实现(from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

# 距离函数定义
def l1_distance(a, b):
    return np.sum(np.abs(a-b), axis=1)
def l2_distance(a, b):
    return np.sqrt( np.sum((a-b) ** 2, axis=1) )

# 分类器实现
class kNN(object):
    # 定义一个初始化方法,__init__ 是类的构造方法
    def __init__(self, n_neighbors = 1, dist_func = l1_distance):
        self.n_neighbors = n_neighbors
        self.dist_func = dist_func
    
    # 训练模型方法
    def fit(self, x, y):
        self.x_train = x
        self.y_train = y
    
    # 模型预测方法
    def predict(self, x):
        # 初始化预测分类数组
        y_pred = np.zeros( (x.shape[0], 1), dtype=self.y_train.dtype )
        
        # 遍历输入的x数据点,取出每一个数据点的序号i和数据x_test
        for i, x_test in enumerate(x):
            # x_test跟所有训练数据计算距离
            distances = self.dist_func(self.x_train, x_test)
            
            # 得到的距离按照由近到远排序,取出索引值
            nn_index = np.argsort(distances)
            
            # 选取最近的k个点,保存它们对应的分类类别
            nn_y = self.y_train[ nn_index[:self.n_neighbors] ].ravel()
            
            # 统计类别中出现频率最高的那个,赋给y_pred[i]
            y_pred[i] = np.argmax( np.bincount(nn_y) )
        
        return y_pred


nn_index = np.argsort(dist)
print("dist: ",dist)
print("nn_index: ",nn_index)
nn_y = y_train[ nn_index[:9] ].ravel()
#print(y_train[:8])
print("nn_y: ",nn_y)
print(np.bincount(nn_y))
print(np.argmax(np.bincount(nn_y)))

在这里插入图片描述

4.测试

# 定义一个knn实例
knn = kNN(n_neighbors = 3)
# 训练模型
knn.fit(x_train, y_train)
# 传入测试数据,做预测
y_pred = knn.predict(x_test)

print(y_test.ravel())
print(y_pred.ravel())

# 求出预测准确率
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)

print("预测准确率: ", accuracy)

在这里插入图片描述

# 定义一个knn实例
knn = kNN()
# 训练模型
knn.fit(x_train, y_train)

# 保存结果list
result_list = []

# 针对不同的参数选取,做预测
for p in [1, 2]:
    knn.dist_func = l1_distance if p == 1 else l2_distance
    
    # 考虑不同的k取值,步长为2
    for k in range(1, 10, 2):
        knn.n_neighbors = k
        # 传入测试数据,做预测
        y_pred = knn.predict(x_test)
        # 求出预测准确率
        accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
        result_list.append([k, 'l1_distance' if p == 1 else 'l2_distance', accuracy])
df = pd.DataFrame(result_list, columns=['k', '距离函数', '预测准确率'])
df

在这里插入图片描述

也可以这样:
在这里插入图片描述

注:也可以直接调用sklearn里面写好的代码,引用以后实例化就好了,下面附上sklearn算法与对应库:
(例如K近邻算法:可以直接:from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier,就不用自己去定义函数了,上面的只是帮助你理解。)

在这里插入图片描述

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