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深度剖析 K 近邻算法：分类、回归实战及优劣势分析

🕗 发布于 2024-12-09 10:02 分类  回归  k近邻算法  

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简介：本文全面且细致地讲解了 K 近邻算法，开篇点明掌握该算法需先理解特征空间这一关键概念，通过水果、鸢尾花数据集实例，助读者明晰特征空间维度构成；接着深入剖析 K 近邻算法原理，涵盖分类、回归两大应用方向。分类部分，详述从导包、样本生成、绘图到预测及邻近点绘制的完整实操流程，还贴心指出 sklearn 导包易错点；回归板块，依次展示数据集生成、模型训练、预测及结果可视化步骤。文末精准总结 KNN 算法参数、优缺点及改进方法，是新手入门、老手温故 K 近邻算法的优质参考。

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K近邻算法

要掌握K近邻算法先要理解一个概念：特征空间

什么是特征空间

假设我们要对水果进行分类，有两个特征：“形状”（圆形、椭圆形等）和 “颜色”（红色、绿色等）。那么特征空间就是一个二维空间，其中一个维度代表 “形状”，另一个维度代表 “颜色”。
比如鸢尾花数据集。它有四个特征：花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度。那么特征空间就是一个四维空间。每一朵鸢尾花都可以在这个四维空间中找到一个对应的位置（点）。

K近邻算法的原理

在特征空间中一个样本的附近的K个最近样本大多属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。
K近邻算法属于有监督的机器学习算法，如果您不了解什么是有监督可以阅读我的文章：一文吃透监督学习：从原理到实战，攻克过拟合与欠拟合难题 。有监督学习的算法一般用于分类和回归。

K近邻分类

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因为正方形最近的三个分类好的邻居是两个三角形和一个圆形，所以他被分类为三角形
下面，将按照步骤实现一个分类的案例

（第一步）导入 sklearn 和matplotlib和numpy包

这里导包的时候会遇到一个问题关于sklearn包的，一些课本上使用 make_blobs的时候导入步骤如下：

from sklearn.datasets.samples_generator import make_blobs

现在会导致warnings，具体来说，你正在使用的代码中涉及到了 sklearn.datasets.samples_generator 模块，但是从 scikit-learn 库的版本 0.22 开始，这个模块就已经被标记为弃用（deprecated）了，并且计划在版本 0.24 中移除它。提示建议相应的类或函数应该从 sklearn.datasets 中去导入，而那些无法从 sklearn.datasets 导入的部分现在已经属于私有应用程序接口（private API）了。
所以应该按如下步骤导入：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_blobs

（第二步）生成样本

要生成的60个数据将围绕三个中心聚类。这三个中心在二维空间中的坐标分别是(-2,2)、(2,2)和(0,4)。random_state是随机种子，设置了相同的随机种子会得到相同的结果

centers = [[-2,2],[2,2],[0,4]]
X,y = make_blobs(n_samples = 60 ,centers = centers , random_state = 0 ,cluster_std = 0.60)

（第三步）画出生成的样本

涉及到了一个与plt.scatter散点图的知识，需要先对他进行讲解

（第三步补充）plt.scatter

他是matplotlib中用于画散点图的函数 第一个参数是横坐标 第二个参数 是纵坐标，第三个参数c代表着不同的类别 ，第四个参数s代表着点的大小 ，cmap是上色方式
接着回到第三步开始画出三个不同颜色的样本与聚类中心

plt.figure(figsize=(5,3),dpi = 144)
c = np.array(centers)
# 样本
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c = y,s=10,cmap='cool')
# 中心点
plt.scatter(c[:,0],c[:,1],s = 50,marker='*',c = 'orange')
plt.show()

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（第四步）进行预测

预测之前要学习一个函数 kneighbors(X_sample, return_distance = False)
X_sample是输入的样本数据点的坐标。目的是找到这个样本点在训练数据（X和y）中的k个最近邻。
return_distance = False是一个控制返回值内容的参数。当设置为False时，表示不返回样本点到其最近邻的距离信息，而只返回最近邻的索引（即这些最近邻在训练数据集X中的位置索引。

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

k = 5
clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors= k)
clf.fit(X,y)
X_sample = ([[0,2]])
y_sample = clf.predict(X_sample)
neighbors = clf.kneighbors(X_sample,return_distance= False)

（第五步）把邻近点画出来

plt.figure(figsize = (5,3),dpi = 144)
c = np.array(centers)
# 样本
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c = y,s=10,cmap='cool')
# 中心点
plt.scatter(c[:,0],c[:,1],s = 50,marker='*',c = 'orange')
# 需要被预测的点
plt.scatter(X_sample[0][0],X_sample[0][1],marker='^',s = 100,cmap = 'cool')

# 把距离被预测点最近的五个点和被预测的点连成线
for i in neighbors[0]:
    plt.plot([X[i][0],X_sample[0][0]],[X[i][1],X_sample[0][1]],'k--',linewidth = 0.6)
    
plt.show()

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K近邻回归

KNN算法用于回归的思路是，找出一个样本的K个最近邻居，讲这些 邻居的属性的平均值赋给该样本，就可以得到该样本的值，下面将按步骤进行回归：

（第一步）生成数据集

使用余弦曲线，并且添加一些噪声：

import numpy as np
np.random.seed(30)
X = 5*np.random.rand(42,1)
y = np.cos(X).ravel()
y += 0.2*np.random.rand(42)-0.1

ravel起到将多维数组压扁成为一维数组的作用

（第二步）训练模型

from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor
k = 5
knn = KNeighborsRegressor(k)
knn.fit(X,y)

（第三步）生成足够密集的点进行预测

T = np.linspace(0,5,500)[:,np.newaxis]
y_pred = knn.predict(T)

（第四步）把预测结果画成图

import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(5,3),dpi =144)
# 这是训练集的样本点
plt.scatter(X,y,c='g',label="Train data",s =10)

# zh
plt.plot(T,y_pred,c='k',label='Test prediction',lw =2)

# plt.axis('tight')的主要作用是自动调整坐标轴的范围，使得坐标轴紧密地包围数据点或者图形元素。
plt.axis('tight')

plt.title(f"KNN Reg(k ={k})")
# 显示label
plt.legend()
plt.show()

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KNN算法参数与优缺点

  1. KNeighbors有两个参数一个是邻居的数量，一个是计算距离的方式。一般邻居在3-5个有较好的效果，K越大越容易掺杂进噪声，K太小会过拟合，默认使用欧式距离，他在许多情况下比较好。
  2. 他的却带你在于如果特征空间有很多0，数据集比较稀疏的情况下分类效果不太好，还有就是数据集大的时候时间比较长。
  3. 改进的常规方法目前有两个，针对不同的邻居使用不同的距离权重，另一个是选一定半径内距离最近K个的邻居。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_54414907/article/details/144269017

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