【Sklearn】基于K邻近算法的数据分类预测（Excel可直接替换数据）

1.模型原理

K最近邻（K-Nearest Neighbors，KNN）是一种基本的监督学习算法，用于分类和回归任务。其模型原理如下：

模型原理：

对于分类任务，KNN的原理可以概括为以下几个步骤：

1. 训练阶段： 将训练数据集中的每个数据点与其标签一起存储。这些数据点和标签构成了训练样本。

2. 预测阶段： 当需要对新的数据点进行分类时，KNN算法执行以下步骤：

   • 计算测试数据点与训练数据集中每个点之间的距离，使用所选择的距离度量（如欧氏距离）。

   • 从训练数据集中选择K个与测试数据点距离最近的数据点，这些数据点就是测试数据点的“最近邻居”。

   • 根据这K个最近邻居的标签，预测测试数据点的标签。对于分类任务，可以通过多数表决的方式，即选择K个邻居中出现最多次的标签作为预测标签。

数学模型：

假设我们有一个训练数据集 $D$，包含 $N$ 个样本，每个样本有 $d$ 个特征。在分类任务中，每个样本都有一个标签。

• 训练数据集：$D=\{(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_N,y_N)\}$，其中 $x_i$ 是一个 $d$ 维特征向量，$y_i$ 是样本 $x_i$ 对应的标签。

对于一个新的测试数据点 $x$，KNN的分类过程可以用以下公式表示：

$$\hat{y}={\text{argmax}}_y\sum _{i=1}^K{w}_i\cdot I(y_i=y)$$

其中：

• $\hat{y}$ 是测试数据点的预测标签。
• $y_i$ 是第 $i$ 个最近邻居的标签。
• $w_i$ 是第 $i$ 个最近邻居的权重（通常为1或距离的倒数）。
• $I(y_i=y)$ 是指示函数，如果 $y_i=y$，则为1，否则为0。

KNN算法在预测时需要选择合适的 $K$ 值、距离度量、权重等参数。较小的 $K$ 值会导致模型更容易受到噪声影响，而较大的 $K$ 值可能导致决策边界不够灵活。距离度量的选择和权重的设置也会影响算法的性能。

当需要对新的数据点进行分类时，KNN算法执行以下步骤：

1. 计算距离： 对于测试数据点 $x$，计算它与训练数据集中每个数据点 $x_i$ 之间的距离。可以使用欧氏距离（Euclidean distance）等距离度量方法：

   欧氏距离公式：$d(x,x_i)=\sqrt{{\sum }_{j=1}^d(x_j-x_{ij}{)}^2}$

   其中，$d$ 是数据的维度，$x_j$ 是测试数据点的第 $j$ 个特征值，$x_{ij}$ 是训练数据点 $x_i$ 的第 $j$ 个特征值。

2. 选择最近邻： 从训练数据集中选择距离测试数据点最近的 $K$ 个数据点，这些数据点就是测试数据点的最近邻居。

3. 多数表决： 对于分类任务，根据最近邻居的标签进行多数表决，选择出现次数最多的标签作为测试数据点的预测标签。

4. 欧氏距离公式：
   $$d(x,x_i)=\sqrt{\sum _{j=1}^d(x_j-x_{ij}{)}^2}$$

在这个公式中，$d$ 是数据的维度，$x_j$ 是测试数据点的第 $j$ 个特征值，$x_{ij}$ 是训练数据点 $x_i$ 的第 $j$ 个特征值。

请注意，上述描述和公式仅概括了KNN算法的基本原理。在实际应用中，还需要根据具体问题选择合适的距离度量、权重等参数，以及处理距离相等的情况等。

2.模型参数

KNeighborsClassifier是Scikit-Learn中用于K最近邻分类的类。以下是部分常用的参数列表：

1. n_neighbors: K值，表示用于预测的最近邻居的数量。
2. weights: 用于预测的近邻的权重，可以是’uniform’（均匀权重）或’distance’（根据距离进行加权）。
3. algorithm: 用于计算最近邻的算法，可以是’auto’（根据数据自动选择），‘ball_tree’，‘kd_tree’，‘brute’。
4. leaf_size: 在使用’ball_tree’或’kd_tree’算法时，指定叶子节点的大小。
5. p: 距离度量参数，1表示使用曼哈顿距离，2表示使用欧氏距离，其他值表示使用闵可夫斯基距离。
6. metric: 距离度量函数，默认为’minkowski’。可以是各种内置度量，或者自定义距离度量函数。
7. n_jobs: 并行计算的任务数量，-1表示使用所有可用的CPU核心。
8. algorithm: 用于计算最近邻的算法，可以是’auto’（自动选择），‘ball_tree’，‘kd_tree’，‘brute’。
9. leaf_size: 在使用’ball_tree’或’kd_tree’算法时，指定叶子节点的大小。
10. metric_params: 距离度量的附加参数。

以下是使用KNeighborsClassifier的例子：

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

# 创建K最近邻模型，设置K值为5，使用欧氏距离，使用均匀权重
model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5, weights='uniform', p=2)

请注意，上述示例只是一部分参数，还有其他可用参数未列出。您可以根据需求在创建模型时调整这些参数。

3.文件结构

iris.xlsx						% 可替换数据集
Main.py							% 主函数

4.Excel数据

5.下载地址

- 资源下载地址

6.完整代码

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

def knn_classification(data_path, test_size=0.2, random_state=42, n_neighbors=3):
    # 加载数据
    data = pd.read_excel(data_path)

    # 分割特征和标签
    X = data.iloc[:, :-1]  # 所有列除了最后一列
    y = data.iloc[:, -1]   # 最后一列

    # 划分训练集和测试集
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=test_size, random_state=random_state)

    # 创建K最近邻模型
    # 1. ** n_neighbors: ** K值，表示用于预测的最近邻居的数量。
    # 2. ** weights: ** 用于预测的近邻的权重，可以是'uniform'（均匀权重）或'distance'（根据距离进行加权）。
    # 3. ** algorithm: ** 用于计算最近邻的算法，可以是'auto'（根据数据自动选择），'ball_tree'，'kd_tree'，'brute'。
    # 4. ** leaf_size: ** 在使用'ball_tree'或'kd_tree'算法时，指定叶子节点的大小。
    # 5. ** p: ** 距离度量参数，1表示使用曼哈顿距离，2表示使用欧氏距离，其他值表示使用闵可夫斯基距离。
    # 6. ** metric: ** 距离度量函数，默认为'minkowski'。可以是各种内置度量，或者自定义距离度量函数。
    # 7. ** n_jobs: ** 并行计算的任务数量，-1表示使用所有可用的CPU核心。
    # 8. ** algorithm: ** 用于计算最近邻的算法，可以是'auto'（自动选择），'ball_tree'，'kd_tree'，'brute'。
    # 9. ** leaf_size: ** 在使用'ball_tree'或'kd_tree'算法时，指定叶子节点的大小。
    # 10. ** metric_params: ** 距离度量的附加参数。
    # 创建K最近邻模型，设置K值为5，使用欧氏距离，使用均匀权重
    model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5, weights='uniform', p=2)

    # 在训练集上训练模型
    model.fit(X_train, y_train)

    # 在测试集上进行预测
    y_pred = model.predict(X_test)

    # 计算准确率
    accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
    return confusion_matrix(y_test, y_pred), y_test.values, y_pred, accuracy

if __name__ == "__main__":
    # 使用函数进行分类任务
    data_path = "iris.xlsx"
    confusion_mat, true_labels, predicted_labels, accuracy = knn_classification(data_path, n_neighbors=5)

    print("真实值：", true_labels)
    print("预测值：", predicted_labels)
    print("准确率：{:.2%}".format(accuracy))

    # 绘制混淆矩阵
    plt.figure(figsize=(8, 6))
    sns.heatmap(confusion_mat, annot=True, fmt="d", cmap="Blues")
    plt.title("Confusion Matrix")
    plt.xlabel("Predicted Labels")
    plt.ylabel("True Labels")
    plt.show()

    # 用圆圈表示真实值，用叉叉表示预测值
    # 绘制真实值与预测值的对比结果
    plt.figure(figsize=(10, 6))
    plt.plot(true_labels, 'o', label="True Labels")
    plt.plot(predicted_labels, 'x', label="Predicted Labels")

    plt.title("True Labels vs Predicted Labels")
    plt.xlabel("Sample Index")
    plt.ylabel("Label")
    plt.legend()
    plt.show()

7.运行结果