KNN算法和kd树详解(例子+图示)

一、KNN算法

KNN(K-NearestNeighbor)算法既可以用于分类,也可用于回归。这里介绍他的分类用法。

 

训练集:一堆拥有标签的m维数据,可以表示为:

               其中  是标签,即所属类别。

目标:一个测试数据x,预测其所属类别。

 

算法:

  1. 计算测试点x与训练集中每一个数据的“距离”
  2. 将所求的距离进行升序排序,选择前K个
  3. 在上一步中所得到的K个数据中,根据决策规则(如多数表决)决定x的类别预测结果

 

虽然KNN算法用短短的三步就能概括,但是大有文章可做

 

1、“距离”是啥距离?

话不多说,先摆个公式压压惊

                                                                         

上式表示的是:m维数据的距离就是这么求的。

当p=2时,这个距离就称为欧式距离,是不是很熟悉?

当p=1时,称为曼哈顿距离

根据数据特性的不同,我们可以选择不同的距离来度量。

 

2、K值如何选择

我们一直在谈KNN,那这个K我们该如何选择呢?

K值太小,预测结果会对近邻的训练数据十分敏感,模型过于复杂,易发生过拟合

K值太大,会导致分类结果模糊,模型过于简单。

 

对于k值的选择有这么几种方法:交叉验证、贝叶斯方法、bootstrap。

一般是取个较小值,采用交叉验证法来选取最优的K值。

 

3、决策规则是啥?

一般是选用多数表决规则,即在K个数据中,哪种类别出现的次数最多,这个类别就是x的预测类别。

 

二、kd树

以上说完,我们就要进入实现环节了。那么问题来了,我们上面说的是计算测试点和训练集中的每一个数据的距离,然后进行排序。数据量少的时候完全问题,可是当数据量大的时候,臣妾做不到啊!!!

 

这时候,我们聪明的前辈就提出了kd树(k-dimensional tree)。这是一颗什么样的树呢?

kd树可以帮助我们在很快地找到与测试点最邻近的K个训练点。不再需要计算测试点和训练集中的每一个数据的距离。

kd树是二叉树的一种,是对k维空间的一种分割,不断地用垂直于坐标轴的超平面将k维空间切分,形成k维超矩形区域,kd树的每一个结点对应于一个k维超矩形区域。

 

注意:这里的k维的k表示的是数据的维度,上文中我们称为m维数据。(不要理解为K个训练点的K,你看我甚至把训练点的K大写,维度的k小写

 

kd树的构造

 

首先我们需要构造kd数,构造方法如下:

  1. 选取为坐标轴,以训练集中的所有数据坐标中的中位数作为切分点,将超矩形区域切割成两个子区域。将该切分点作为根结点,由根结点生出深度为1的左右子结点,左节点对应坐标小于切分点,右结点对应坐标大于切分点
  2. 对深度为j的结点,选择为切分坐标轴,,以该结点区域中训练数据坐标的中位数作为切分点,将区域分为两个子区域,且生成深度为j+1的左、右子结点。左节点对应坐标小于切分点,右结点对应坐标大于切分点
  3. 重复2,直到两个子区域没有数据时停止。

 

是不是现在还是懵懵懂懂的,甚至上面的构造方法只是一眼扫过。

不慌,有句话叫无图言X,接下来就是关门放图的时候。

我们用图像来走算法!

 

我们有二维数据集

将他们在坐标系中表示如下:

                                         KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第1张图片

 

开始:选择为坐标轴,中位数为6,即(6,5)为切分点,切分整个区域

                                                     KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第2张图片          KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第3张图片

 

再次划分区域

为坐标轴,选择中位数,可知左边区域为-3,右边区域为-12。所以左边区域切分点为(1,-3),右边区域切分点坐标为(17,-12)

 

                                             KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第4张图片

                     KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第5张图片

 

 

再次对区域进行切分,同上步,我们可以得到切分点,切分结果如下:

 

                                            KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第6张图片

 

 

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第7张图片

 

最后分割的小区域内只剩下一个点或者没有点。我们得到最终的kd树如下图

 

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第8张图片

 

 

kd树完成K近邻的搜索

当我们完成了kd树的构造之后,我们就要想怎么利用kd树完成K近邻的搜索呢???

 

接下来,又是抛出算法的时候了

 

为了方便说明,我们采用二维数据的栗子。假设现在要寻找p点的K个近邻点(p点坐标为(a,b)),也就是离p点最近的K个点。设S是存放这K个点的一个容器。

 

新鲜的算法来了:

  1. 根据p的坐标和kd树的结点向下进行搜索(如果树的结点是以来切分的,那么如果p的坐标小于c,则走左子结点,否则走右子结点)
  2. 到达叶子结点时,将其标记为已访问。如果S中不足k个点,则将该结点加入到S中;如果S不空且当前结点与p点的距离小于S中最长的距离,则用当前结点替换S中离p最远的点
  3. 如果当前结点不是根节点,执行(a);否则,结束算法

(a)回退到当前结点的父结点,此时的结点为当前结点(回退之后的结点)。将当前结点标记为已访问,执行(b)和(c);如果当前结点已经被访过,再次执行(a)。

(b)如果此时S中不足k个点,则将当前结点加入到S中;如果S中已有k个点,且当前结点与p点的距离小于S中最长距离,则用当前结点替换S中距离最远的点。

(c)计算p点和当前结点切分线的距离。如果该距离大于等于S中距离p最远的距离并且S中已有k个点,执行3;如果该距离小于S中最远的距离或S中没有k个点,从当前结点的另一子节点开始执行1;如果当前结点没有另一子结点,执行3。

以上的1,2,3我们会称为算法中的1,算法中的2,算法中的3

老规矩,上图!

 

为了方便描述,我对结点进行了命名,如下图。

蓝色斜线表示该结点标记为已访问,红色下划线表示在此步确定的下一要访问的结点

 

我们现在就计算p(-1,-5)的3个邻近点。

 

                                         KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第9张图片

 

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第10张图片

 

我们拿着(-1,-5)寻找kd树的叶子结点。

 

执行算法中的1。

  •  p点的-1与结点A的x轴坐标6比较,-1<6,向左走。
  •  p点的-5与结点B的y轴坐标-3比较,较小,往左走。
  •  因为结点C只有一个子结点,所以不需要进行比较,直接走到结点H。

 

进行算法中的2,标记结点H已访问,将结点H加入到S中。

此时                                                                          

                               KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第11张图片KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第12张图片

 

执行算法中的3,当前结点H不是根结点

  • 执行(a),回退到父结点C,我们将结点C标记为已访问
  • 执行(b),S中不足3个点,将结点C加入到S中
  • 执行(c)计算p点和结点C切分线的距离,可是结点C没有另一个分支,我们开始执行算法中的3。

                                                                

                                       KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第13张图片KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第14张图片

 

当前结点C不是根结点

  • 执行(a),回退到父结点B,我们将结点B标记为已访问
  • 执行(b),S中不足3个点,将结点B加入到S中
  • 执行(c)计算p点和结点B切分线的距离,两者距离为小于S中的最大距离。(S中的三个点与p的距离分别为)。所以我们需要从结点B的另一子节点D开始算法中的1。

 

                                                                                        

 

                                         KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第15张图片

                                          KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第16张图片

 

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第17张图片

 

从结点D开始算法中的1

  • p点的-1与结点D的x轴坐标-2比较,-1 >  -2,向右走。
  • 找到了叶子结点J,标记为已访问。

开始算法中的2

  • S不空,计算当前结点J与p点的距离,为18.2,大于S中的最长距离
  • 所以我们不将结点J放入S中

                                                                                      

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第18张图片

 

执行算法中的3,当前结点J不为根结点

  • 执行(a),回退到父结点D,标记为已访问。
  • 执行(b),S中已经有3个点,当前结点D与p点距离为,小于S中的最长距离(结点H与p点的距离),将结点D替换结点H。
  • 执行(c),计算p点和结点D切分线的距离,两者距离为1,小于S中最长距离,所以我们需要从结点D的另一子节点I开始算法中的1。

                                                                                          

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第19张图片

 

                            KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第20张图片

                                          KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第21张图片

 

从结点I开始算法中的1,结点I已经是叶子结点

直接进行到算法中的2

  • 标记结点I为已访问
  • 计算当前结点I和p点的距离为,大于S中最长距离,不进行替换。

 

                                                                                           

 

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第22张图片

执行算法中的3.

当前结点I不是根结点

  • 执行(a),回退到父结点D,但当前结点D已经被访问过。
  • 再次执行(a),回退到结点D的父结点B,也标记为访问过
  • 再次执行(a),回退到结点B的父结点A,结点A未被访问过,标记为已访问。
  • 执行(b),结点A和p点的距离为,大于S中的最长距离,不进行替换
  • 执行(c),p点和结点A切分线的距离为7,大于S中的最长距离,不进行替换

                                                                                      

KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第23张图片

                                          KNN算法和kd树详解(例子+图示)_第24张图片

 

执行算法中的3,发现当前结点A是根结点,结束算法。

得到p点的3个邻近点,为(-6,-5)、(1,-3)、(-2,-1)

 

kd树就这么的完成了他的任务。

总的来说,就是以下几步

1、找到叶子结点,看能不能加入到S中

2、回退到父结点,看父结点能不能加入到S中

3、看目标点和回退到的父结点切分线的距离,判断另一子结点能不能加入到S中

 

有错误之处还请大家帮忙指正!

 

参考:

https://cloud.tencent.com/developer/news/212042

https://zhuanlan.zhihu.com/p/23966698

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