分类-KNN算法（代码复现和可视化）

简介

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K近邻（K Nearest Neighbors，KNN）算法是最简单的分类算法之一，也就是根据现有训练数据判断输入样本是属于哪一个类别。

“近朱者赤近墨者黑"，所谓的K近邻，也就是根据样本相邻最近的K个数据来进行判断，看K个邻居中所属类别最多的是哪一类，则将该样本分为这一类。

算法原理很简单，如下图，K取3时，输入数据为红色点，在它最近的3个邻居点中，有2个黄色1个蓝色，故应把它分类为黄色这一类。

可以看出K的取值应为奇数，避免K近邻中有相同个数的类别，同时也不能为类别数的倍数，如3分类中K取3时，出现1：1：1无法分类的情况。注意如果K过小可能造成过拟合。

此外距离的定义公式也有很多，这里不再赘述，根据实际场景进行甄选，一般使用欧式距离更多，即$dist(x,y)=\sqrt{{\sum }_{i=1}^n(x_i-y_i{)}^2}$

代码复现

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1. 数据处理

采用典中典——鸢尾花数据集，Kaggle中有上传鸢尾花数据（下载链接）
鸢尾花数据集包含四个特征，和三种鸢尾花标签类别，共150条数据。

采用sepal length和petal width两个特征，你也可以采用其他特征。
使用pandas读取数据，不懂pandas可以参考我这篇：Pandas光速入门-一文掌握数据操作

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split

data = pd.read_csv("D:\\Iris_flower_dataset.csv")
x = np.array(data.iloc[:, [1, 4]])
y_tmp = np.array(data["Species"])
y = []
label = ["Iris-setosa", "Iris-virginica", "Iris-versicolor"]
for i in y_tmp:  # 将英文压为整型
    if i == label[0]:
        y.append(0)
    elif i == label[1]:
        y.append(1)
    else:
        y.append(2)
y = np.array(y)        
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, random_state=2022)
# 训练集可视化
x_axis = []
y_axis = []
for i in x_train:
    x_axis.append(i[0])  # 第1个特征作x轴
    y_axis.append(i[1])  # 第2个特征作y轴
plt.scatter(x_axis, y_axis, c=y_train)
plt.xlabel("sepal length[cm]")  # 设置x轴名
plt.ylabel("petal width[cm]")  # 设置y轴名
plt.show()

可视化可参考：Matplotlib光速入门-从安装到绘图实战

（插播反爬信息 ）博主CSDN地址：https://wzlodq.blog.csdn.net/

2. KNN定义

只考虑两个特征，就简单化处理了，即用$\sqrt{(x_1-x_2{)}^2+(y_1-y_2{)}^2}$

class KNN(object):

    def __init__(self, k):  # 初始化函数
        self.k = k

    def fit(self, x, y):  # 载入训练集
        self.x = x
        self.y = y

    def _distance(self, v1, v2):  # 欧式距离
        return np.sum(np.square(v1 - v2))

    def predict(self, x):
        y_pre = []
        for i in range(len(x)):  # x是测试集，是一个n维特征数组
            dist_arr = [self._distance(x[i], self.x[j]) for j in range(len(self.x))]  # 计算距离
            sorted_index = np.argsort(dist_arr)  # 排序
            top_k_index = sorted_index[:self.k]  # 得到K近邻
            nearest = self._count(y_top_k=self.y[top_k_index])  # 根据K近邻分类做出预测
            y_pre.append(nearest)  # 加入预测答案
        return np.array(y_pre)

    def _count(self, y_top_k):  # 统计各分类数量
        y_map = {}
        for y in y_top_k:
            if y not in y_map.keys():
                y_map[y] = 1  # 首次不在字典则置1
            else:
                y_map[y] += 1  # 否则value++
        sorted_vote_dict = sorted(y_map.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)  # 排序
        return sorted_vote_dict[0][0]  # 返回数量最多的分类

3. 测试

if __name__ == "__main__":
	# 数据处理
    data = pd.read_csv("D:\\Iris_flower_dataset.csv")
    x = np.array(data.iloc[:, [1, 4]])
    y_tmp = np.array(data["Species"])
    y = []
    label = ["Iris-setosa", "Iris-virginica", "Iris-versicolor"]
    for i in y_tmp:  # 将英文压为整型
        if i == label[0]:
            y.append(0)
        elif i == label[1]:
            y.append(1)
        else:
            y.append(2)
    y = np.array(y)
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, random_state=2022)
    # 创建KNN对象
    clf = KNN(5)
    # 训练
    clf.fit(x_train, y_train)
    # 测试
    pre_test = clf.predict(x_test)
    # 计算正确率
    correct = np.count_nonzero((pre_test == y_test) == True)
    print("正确率：%.3f" % (correct / len(pre_test)))

4. 结果可视化

    # 结果可视化
    x_axis = []
    y_axis = []
    for i in x_train:
        x_axis.append(i[0])  # 第1个特征作x轴
        y_axis.append(i[1])  # 第2个特征作y轴
    plt.scatter(x_axis, y_axis, c=y_train,alpha=0.3)
    for i in range(len(x_test)):
        if pre_test[i] == y_test[i]:  # 正确标绿
            plt.scatter(x_test[i][0], x_test[i][1], color="green")
        else:  # 错误标红
            plt.scatter(x_test[i][0], x_test[i][1], color="red")
    plt.xlabel("sepal length[cm]")  # 设置x轴名
    plt.ylabel("petal width[cm]")  # 设置y轴名
    plt.show()

半透明的是训练数据，测试数据中，绿色是分类正确的点，红色是分类错误的点，可以看出上图只错了一个。

sklearn库调用

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使用sklearn封装函数可以非常方便的实现：

from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
# 载入数据
iris = datasets.load_iris()  # 已经内置了鸢尾花数据集
x = iris.data  # 输入4个特征
y = iris.target  # 输出类别

# 随机划分数据集，默认25%测试集75%训练集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y)

# 创建一个KNN分类器对象，并设置K=5，
clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)  # clf意为Classifier

# 训练
clf.fit(x_train, y_train)  # 用训练数据拟合分类器模型

# 测试
pre_test = clf.predict(x_test)  # 得到测试集的预测结果

# 计算正确率
print('正确率：%.3f' % accuracy_score(y_test, pre_test))
# 由于数据集是随机划分，每次得到正确率自然不同，可以设置random_state让随机一致

直接调用库函数简直不要太方便，芜湖起飞(～￣▽￣)～

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