机器学习(八)——KNN

一、KNN定义

k k k近邻( k − N e a r e s t N e i g h b o r , 简 称 k N N k-Nearest Neighbor,简称kNN kNearestNeighborkNN)学习是一种有监督学习方法。

k k k近邻:可以用于分类任务中,也可以用于回归中。

\qquad 在分类任务常采用“投票法”,即选择k个样本中出现最多的类别作为测试样本所属的类别;
\qquad 在回归任务中采用“平均法”,即将 k k k个样本的实际输出的平均值作为测试样本的输出结果。

二、KNN工作机制

\qquad 工作机制:给定测试样本数据集,基于某种距离度量找训练集中与其最靠近的 k k k个训练样本,然后基于这 k k k个邻居的信息来进行预测。
\qquad 图示:
在这里插入图片描述

k = 1 k=1 k=1时,属于类别1
k = 3 k=3 k=3时,属于类别2
k = 5 k=5 k=5时,属于类别1

\qquad 从结果中可以看出, k k k是一个重要的参数, k k k的取值不同,会导致不同的分类结果。

\qquad 具体流程如下:

计算已知类别的数据集中的点与测试样本点之间的距离;
将计算的结果进行升序排列;
按照选取的 k k k,取出排序列表中前 k k k个样本点;
统计前 k k k个样本点所属的类别,统计类别出现的频率;
将出现频率最高的类别作为当前测试样本点的预测结果。

三、距离度量

闵可夫斯基距离(Minkowski distance)
欧式距离(Euclidean distance)
曼哈顿距离(Manhattan distance)

1.闵可夫斯基距离

在这里插入图片描述

2.欧式距离

p = 2 p=2 p=2时,闵可夫斯基距离即是欧式距离

3.曼哈顿距离

p = 1 p=1 p=1时,闵可夫斯基距离即是曼哈顿距离

### KNN算法在机器学习中的实现与应用 #### 一、KNN算法简介 K近邻(K-Nearest Neighbor, KNN)是一种基本分类与回归方法。该算法的核心思想在于通过计算待测样本与训练集中各个样本的距离,选取距离最小的前K个邻居,并依据这些邻居的信息来进行决策。对于分类问题而言,则是根据多数表决原则决定新实例所属类别;而对于回归问题来说,则通常采用这K个最接近的数据点的目标属性平均值作为预测结果。 #### 二、R语言下的具体实践案例 针对鸢尾花数据集的应用展示了如何利用基础函数完成整个流程而无需依赖额外包的支持[^2]。在这个例子中,通过对不同特征维度间欧氏距离或其他度量方式的选择实现了对未知样本的有效识别。这种做法不仅有助于理解原理本身,同时也锻炼了编程技巧以及解决实际问题的能力。 ```r # 加载必要的库并读入数据 library(ggplot2) data(iris) head(iris) # 数据预处理... set.seed(1234) trainIndex <- sample(seq_len(nrow(iris)), size = floor(.7 * nrow(iris))) trainingData <- iris[trainIndex, ] testingData <- iris[-trainIndex, ] # 定义knn函数用于后续调用 knnPredict <- function(trainSet, testInstance, labels, k){ distances <- sqrt(rowSums((t(t(trainSet[,1:4]) - as.numeric(testInstance)))^2)) sortedDistIndices <- order(distances)[1:k] classCounts <- table(labels[sortedDistIndices]) return(names(which.max(classCounts))) } predictions <- sapply(as.matrix(testingData[,1:4]), knnPredict, trainSet=as.matrix(trainingData[,1:4]), labels=trainingData$Species,k=3L) confusionMatrix <- table(predictions,factor(testingData$Species)) print(confusionMatrix) ``` 上述代码片段演示了一个完整的基于自定义逻辑而非第三方工具包构建KNN模型的过程,包括但不限于数据分割、相似性测量及最终评估等方面的工作。 #### 三、应用场景探讨 尽管存在诸如计算复杂度较高等局限之处,但在某些特定条件下依然能够展现出独特价值: - **低维空间**:当输入变量数量较少时,性能表现良好; - **多模态分布**:可以很好地适应具有多个峰值的概率密度函数所描述的现象; - **快速原型开发**:由于易于理解和编码特性,在初期探索阶段可作为一种高效手段迅速验证想法可行性[^3]。 综上所述,虽然与其他更先进的技术相比可能显得不够先进,但凭借其实现简便性和灵活性依旧占据着不可替代的地位。
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