机器学习算法总结之K近邻（KNN）

写在前面

K近邻（K-nearest neighbor，k-nn）是一种常用的机器学习监督学习方法，可用于分类和回归问题。其工作机制为：给定测试样本，基于某种距离度量找出训练集中与其最靠近的K个训练样本，然后基于这K个邻居来预测给定样本。对于分类任务，可使用“投票法”；对于回归任务，可使用“平均法”，即取这K个邻居的平均值最为预测结果，进一步地，还可以对K个邻居距离的远近进行加权处理后预测结果。

与其他学习方法不同，KNN不是一种显示的学习过程，实际上是利用训练数据集对特征向量空间进行划分，并作为其分类的模型。K值的选择，距离度量以及分类决策规则是KNN的三个基本要素。

1. KNN模型

KNN模型有三个基本要素——距离度量、k值的选择和分类决策规则。下图是一个knn分类模型实例，假设在距离度量规则选择是“恰当”情况下，虚线显示出等距线，测试样本在k=1或k=5时被判别为正类，在k=3时判别为负类。

1.1 距离度量

两个实例点的距离是两个实例点相似程度的反映。 

Lp距离的定义如下：

 

当p=1时，称为曼哈顿距离：

当p=2时，称为欧氏距离：

当p=正无穷时，是各个坐标距离的最大值：

 

1.2 K值的选择

在上述已经说明，k值的不同会对knn算法结果产生重大影响。

如果k值较小，就相当于用较小的邻域中的训练实例进行预测，只有与输入实例较近的训练实例才会对预测结果起作用，预测结果会对近邻的实例点非常敏感，意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合。

如果k值较大，则相当于用较大邻域中的训练实例进行预测，这时与训练实例较远的训练实例也会对预测起作用，k值增大意味着整体模型变的简单。 

实际应用中，k值一般取一个比较小的数据（不超过20），通常采用交叉验证法来选取最优值。

1.3 分类决策规则

一般使用多数表决，即由输入实例的k个近邻的训练实例中的多数类决定输入实例的类。

2. KNN算法

3. KNN的实现：kd树（k-dimension tree）

kd树是一种对k维空间的实例点进行存储以便对其进行快速检索的树形数据结构。它是二叉树，表示对k维空间的一个划分，构造kd树相当于不断地用垂直于坐标轴的超平面将k维空间切分，构成一系列的k维超矩形区域。

3.1 构建kd树

kd树就是把整个空间划分为特定的几个部分，然后在特定空间的部分内进行相关搜索操作。通常依次选择坐标轴对空间进行切分，选择训练实例点在选定坐标轴上的中位数为切分点，这样得到的kd树是平衡的，但平衡kd树的搜索效率未必是最优的。下面是构建平衡kd树的算法

贴一个构建平衡kd树的例子：

得到的kd树如下：

3.2 搜索kd树

kd树构建完毕后，利用kd树进行k近邻搜索。在kd树上进行近邻搜索时，很多时候可以不进入某个父节点的另一个子节点（省去了另一个子节点数据点的查找）。kd树查找的具体算法如下：
算法输入：构造完毕的kd树，需要分类的目标点x
算法输出：目标点x的k近邻点
算法过程：

• （1）通过深度优先方法，在kd树中搜索到目标点的所在的叶节点。（注：该搜索并不能直接找到最近邻点）搜索方法如下，在搜索每一层的过程中，根据该层的分割特征的序数，来对目标点的该序数的特征进行分类（决定是进入左子节点还是右子节点）。
• （2）以该叶节点作为当前的NN（最近邻）点，计算该叶节点与目标点的距离，并设为当前的最小距离。
• （3）计算该叶节点父节点与目标点的距离，若小于当前的最小距离，则更新当前的最小距离以及当前的NN点（被覆盖的点先记录下来）
• （4） 判断是否要进入父节点的另一个子节点：  判断方法为：计算父节点在其分割特征上的值距离目标点在该特征上的值的距离，若该距离小于当前的最小距离，则进入另一个子节点，否则不进入。既：检查另一子节点对应的区域是否与以目标点为球心，以目标点与当前的NN点的距离为半径的球体相交。若相交则进入，反正不进入。

            a）若不进入另一个子节点，则以此父节点视为叶节点，重复步骤3。
            b）若进入另一个子节点，则对右边节点以下的子树执行步骤1，找到新的叶节点。判断是否要更新NN点与当前最小距离。随后以该叶节点开始，重复步骤3。

以此类推，搜索过程中将不断向跟节点回退。在向根节点回退的过程中，不必再次进入从中退出的子节点，保证过程不会进入死循环。

• 5 当回退到根节点时（且以根节点与目标点的距离来更新最小距离与NN点后），最后的NN点即为x的最近邻点。且记录下来的所有NN点，对应的距离，最小的K个即为K近邻点。

如果实例点是随机分布的，则kd树搜索的平均及计算复杂度是O（logN）

 

小结

kd树更适用于训练示例远大于空间维数时的knn搜索，当两者接近时，他的效率会大大下降，几乎接近线扫描。

参考资料：

机器学习算法与Python实践之（一）k近邻（KNN）

K近邻法之kd树及其Python实现

Kd Tree算法原理和开源实现代码

从K近邻算法、距离度量谈到KD树、SIFT+BBF算法

KD树详解及KD树最近邻算法

利用KD树进行异常检测