Part1机器学习实战学习笔记KNN算法

2021-11-29 08:03:08

step by step

1、kNN原理介绍
2、手写体数据集测试
3、算法优缺点总结

一、kNN原理介绍

1.1 算法概述

给定一个训练数据集，对新的输入实例，在训练数据集中找到与该实例最邻近的K个实例（也就是上面所说的K个邻居），这K个实例的多数属于某个类，就把该输入实例分类到这个类中。

1.2 示例

说明： 测试样本（绿色圆形）应归入要么是第一类的蓝色方形或是第二类的红色三角形。如果k=3（实线圆圈）它被分配给第二类，因为有2个三角形和只有1个正方形在内侧圆圈之内。如果k=5（虚线圆圈）它被分配到第一类（3个正方形与2个三角形在外侧圆圈之内）。

1.3 算法Code Sample

import operator


def classify0(inX, dataSet, labels, k):
    
    """
    参数: 
    - inX: 用于分类的输入向量
    - dataSet: 输入的训练样本集
    - labels: 样本数据的类标签向量
    - k: 用于选择最近邻居的数目
    """
    
    # 获取样本数据数量
    dataSetSize = dataSet.shape[0]

    # 矩阵运算，计算测试数据与每个样本数据对应数据项的差值
    diffMat = np.tile(inX, (dataSetSize, 1)) - dataSet

    # sqDistances 上一步骤结果平方和
    sqDiffMat = diffMat**2
    sqDistances = sqDiffMat.sum(axis=1)

    # 取平方根，得到距离向量
    distances = sqDistances**0.5

    # 按照距离从低到高排序
    sortedDistIndicies = distances.argsort()
    classCount = {}

    # 依次取出最近的样本数据
    for i in range(k):
        # 记录该样本数据所属的类别
        voteIlabel = labels[sortedDistIndicies[i]]
        classCount[voteIlabel] = classCount.get(voteIlabel, 0) + 1

    # 对类别出现的频次进行排序，从高到低
    sortedClassCount = sorted(
        classCount.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)

    # 返回出现频次最高的类别
    return sortedClassCount[0][0]

1.4 算法快速测试

import numpy as np

# 创建数据集
def createDataSet():
    group = np.array([[1.0, 1.1], [1.0, 1.0], [0, 0], [0, 0.1]])
    labels = ['A', 'A', 'B', 'B']
    return group, labels

group, labels = createDataSet()
print('group:', group)
print('labels:', labels)  # 输出数值

# 测试算法效果
classify0([0, 0], group, labels, 3)

快速测试效果

group: [[1.  1.1]
 [1.  1. ]
 [0.  0. ]
 [0.  0.1]]
labels: ['A', 'A', 'B', 'B']
'B'

二、手写体数据集测试

2.1 下载数据集

# 在 Jupyter Notebook 单元格中执行，下载并解压数据。
!wget "http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/777/digits.zip"
# 解压缩
!unzip digits.zip

2.2 查看解压后文本内容0_1.txt

!cat digits/testDigits/0_1.txt

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00000001111000000000001111000000
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00000000000100000000000000000000

2.3 图像转换为向量

# 为了使用前面两个例子的分类器，我们必须将图像格式化处理为一个向量。我们将把一个 32x32 的二进制图像矩阵转换为 1x1024 的向量
def img2vector(filename):
    # 创建向量
    returnVect = np.zeros((1, 1024))
    # 打开数据文件，读取每行内容
    fr = open(filename)
    for i in range(32):
        # 读取每一行
        lineStr = fr.readline()
        # 将每行前 32 字符转成 int 存入向量
        for j in range(32):
            returnVect[0, 32*i+j] = int(lineStr[j])
            
    return returnVect

测试效果

2.4 手写体测试

from os import listdir


def handwritingClassTest():
    # 样本数据的类标签列表
    hwLabels = []

    # 样本数据文件列表
    trainingFileList = listdir('digits/trainingDigits')
    trainingFileList = trainingFileList[1:]
    m = len(trainingFileList)
#     print(m)

    # 初始化样本数据矩阵（M*1024）
    trainingMat = np.zeros((m, 1024))

    # 依次读取所有样本数据到数据矩阵
    for i in range(m):
        # 提取文件名中的数字
        fileNameStr = trainingFileList[i]
#         print(fileNameStr)
        fileStr = fileNameStr.split('.')[0]
#         print(fileStr)
#         print((fileStr.split('_')[0]))
        classNumStr = int((fileStr.split('_')[0]))
        hwLabels.append(classNumStr)

        # 将样本数据存入矩阵
        trainingMat[i, :] = img2vector(
            'digits/trainingDigits/%s' % fileNameStr)

    # 循环读取测试数据
    testFileList = listdir('digits/testDigits')
    testFileList = testFileList[1:]

    # 初始化错误率
    errorCount = 0.0
    mTest = len(testFileList)

    # 循环测试每个测试数据文件
    for i in range(mTest):
        # 提取文件名中的数字
        fileNameStr = testFileList[i]
        print(fileNameStr)
        fileStr = fileNameStr.split('.')[0]
        classNumStr = int(float((fileStr.split('_')[0])))

        # 提取数据向量
        vectorUnderTest = img2vector('digits/testDigits/%s' % fileNameStr)

        # 对数据文件进行分类
        classifierResult = classify0(vectorUnderTest, trainingMat, hwLabels, 3)

        # 打印 K 近邻算法分类结果和真实的分类
        print("测试样本 %d, 分类器预测: %d, 真实类别: %d" %
              (i+1, classifierResult, classNumStr))

        # 判断K 近邻算法结果是否准确
        if (classifierResult != classNumStr):
            errorCount += 1.0

    # 打印错误率
    print("\n错误分类计数: %d" % errorCount)
    print("\n错误分类比例: %f" % (errorCount/float(mTest)))

测试效果

三、算法优缺点总结

3.1 优点

1、算法原理简单，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；
2、可以适配多种类型数据；
3、特别适合于多分类问题(multi-modal,对象具有多个类别标签)， KNN比SVM的表现要好；
4、和朴素贝叶斯之类的算法比，对数据没有假设，准确度高，对异常点不敏感。

3.2 缺点

1、计算量太大，尤其是特征数非常多的时候（每一个待分类文本都要计算它到全体已知样本的距离，才能得到它的第K个最*邻点）；
2、样本不平衡的时候，对稀有类别的预测准确率低（当样本不平衡时，如一个类的样本容量很大，而其他类样本容量很小时，有可能导致当输入一个新样本时，该样本的K个邻居中大容量类的样本占多数）；
3、对训练数据依赖度特别大，对训练数据的容错性太差（如果训练数据集中，有一两个数据是错误的，刚刚好又在需要分类的数值的旁边，这样就会直接导致预测的数据的不准确）
4、可解释性较差（无法给出数据的内在含义）。

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