机器学习作业----KNN算法

一、k-近邻算法原理

为了判断未知样本的类别,以所有已知类别的样本作为参照,计算未知样本与所有已知样本的距离,从中选取与未知样本距离最近的K个已知样本,根据少数服从多数的投票法则,将未知样本与K个最邻近样本中所属类别占比较多的归为一类。

KNN的原理就是当预测一个新的值x的时候,根据它距离最近的K个点是什么类别来判断x属于哪个类别

二、点距离的计算

通常使用的距离函数有:欧氏距离、余弦距离、汉明距离、曼哈顿距离等,一般选欧氏距离作为距离度量,但是这是只适用于连续变量。

这里的p值是一个变量,

当p=1的时候就得到了 曼哈顿距离 ;

当p=2的时候就得到了欧氏距离。

三、k值的选择

如果 K 值比较小,就相当于未分类物体与它的邻居非常接近才行。这样产生的一个问题就是,如果邻居点是个噪声点,那么未分类物体的分类也会产生误差,这样 KNN 分类就会产生过拟合。
如果 K 值比较大,相当于距离过远的点也会对未知物体的分类产生影响,虽然这种情况的好处是鲁棒性强,但是不足也很明显,会产生欠拟合情况,也就是没有把未分类物体真正分类出来。

一般采用交叉验证的方式选取 K 值。交叉验证的思路就是,把样本集中的大部分样本作为训练集,剩余的小部分样本用于预测,来验证分类模型的准确性。

四、举例

此案例参考b站上一位博主的讲解~~~~~

作业一(Matlab) 假设x=(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20),y=( 2.94, 4.53, 5.96, 7.88, 9.02, 10.94, 12.14, 13.96, 14.74, 16.68, 17.79, 19.67, 21.20, 22.07, 23.75, 25.22, 27.17, 28.84, 29.84, 31.78).请写出拟合的直线方程,并画图(包括原数据点及拟合的直线),请打印出来。 请使用线性回归模型来拟合bodyfat数据。数据集介绍可阅读:https://www.mathworks.com/help/nnet/examples/body-fat-estimation.html 在matlab中,在命令行中输入[X,Y] = bodyfat_dataset; 即可获得一个拥有13个属性,252个样本的数据集。使用前200个样本来获得模型,并写出你所获得的模型。使用后52个样本做测试,汇报你所获得的泛化误差。 编程实现对数回归,并给出教材89页上的西瓜数据集3.0上的结果。要求采用4折交叉验证法来评估结果。因为此处一共17个样本,你可以去掉最后一个样本,也可以用所有数据,然后测试用5个样本。在汇报结果时,请说明你的选择。请在二维图上画出你的结果(用两种不同颜色或者形状来标注类别),同时打印出完整的代码。 作业二 采用信息增益准则,基于表4.2中编号为1、2、3、6、7、9、10、14、15、16、17的11个样本的色泽、根蒂、敲声、文理属性构建决策树。(本次作业可以用笔算,鼓励编程实现,但都需要列出主要步骤,其中log2(3)=1.585,log2(5)=2.322,log2(6)=2.585,log2(7)=2.807,log2(9)=3.17,log2(10)=3.322,log2(11)=3.459) 用表4.2中编号为4、5、8、11、12、13的样本做测试集,对上题的训练数据采用预剪枝策略构建决策树,并汇报验证集精度。 用表4.2中编号为4、5、8、11、12、13的样本做测试集,对题1所构建的决策树进行后剪枝,并汇报验证集精度。 作业三(Matlab) 试编程实现累积BP算法,在西瓜数据集2.0上(用训练数据)训练一个单隐层网络,用验证集计算出均方误差。要自己实现,不能直接调用现成的库函数。 作业四 下载并安装libsvm,http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm/ ,在西瓜数据集3.0a上分别用线性核训练一个SVM。用正类1-6和负类9-14作为训练集,其余作为测试集。C取不同的值,其它参数设为默认值。作出测试正确率随C取值变化的图,C=[1 100 10000 10^6 10^8]。 换成高斯核(宽度设为1),重复上题的步骤。 作业五 以西瓜数据集2.0(见教材76页表4.1)中样本1--16为训练集训练一个朴素贝叶斯分类器,对测试样本17进行分类。请写出详细的计算过程。 假设x_k是一个班上学生的分数,对应的分数及其分布是 x_1=30, P1=0.5,一共有14个学生; x_2=18, P2=mu,有6个学生; x_3=20, P3=2mu,有9个学生; x_4=23, P4=0.5-3mu,有10个学生; 通过最大对数似然法求出mu的值。 作业六(Python) 1 使用PCA对Yale人脸数据集进行降维,并分别观察前20、前100个特征向量所对应的图像。请随机选取3张照片来对比效果。数据集http://vision.ucsd.edu/content/yale-face-database
### 关于头歌平台中KNN算法机器学习教程与实例 #### 头歌平台概述 头歌(Tougo)是一个专注于计算机科学教育的学习平台,提供丰富的在线课程资源和实践环境。对于机器学习领域的内容,尤其是像KNN这样经典的算法,通常会通过理论讲解、代码实现以及实际应用案例相结合的方式进行教学。 #### KNN算法简介 KNN(K-Nearest Neighbors)是一种基于实例的学习方法,既可用于分类也可用于回归分析。其核心思想是:给定一个测试样本,在训练集中找到与其最近的K个邻居,并依据这K个邻居的信息来进行决策[^2]。 #### KNN算法的主要步骤 1. 数据预处理阶段,包括标准化或归一化操作以消除不同特征间量纲差异的影响。 2. 计算待测样本到所有已知样本的距离,常用欧氏距离或其他形式的距离度量方式。 3. 找出距离最小的前K个样本作为近邻点集合。 4. 对于分类任务采用投票机制决定最终类别;而对于回归任务则取平均值或者加权平均值得出结果。 #### 距离计算公式示例 以下是两种常见距离公式的Python实现: ```python import numpy as np def euclidean_distance(x, y): """欧几里得距离""" return np.sqrt(np.sum((np.array(x) - np.array(y)) ** 2)) def manhattan_distance(x, y): """曼哈顿距离""" return np.sum(abs(np.array(x) - np.array(y))) ``` 上述函数分别实现了欧氏距离和曼哈顿距离的计算过程。 #### 实际应用场景举例 假设我们有一个简单的电影分类场景,其中每部影片由两个属性描述:“拥抱次数”和“打斗次数”。利用已有标注的数据集可以构建模型并预测未知标签的新样例所属类型[^4]。 #### 可能存在的挑战及优化方向 尽管KNN易于理解和实现,但在大规模数据集上的性能可能较差,因为每次都需要遍历整个数据库寻找最接近的邻居。因此可以通过KD树索引结构加速查询效率,或是引入降维技术减少维度灾难带来的影响[^3]。
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