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Python机器学习之KNN近邻算法

转载 作者:qq735679552 更新时间:2022-09-27 22:32:09 30 4
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这篇CFSDN的博客文章Python机器学习之KNN近邻算法由作者收集整理,如果你对这篇文章有兴趣,记得点赞哟.

1、KNN概述

简单来说,K-近邻算法采用测量不同特征值之间的距离方法进行分类 。

优点:精度高、对异常值不敏感、无数据输入假定 缺点:计算复杂度高、空间复杂度高 适用数据范围:数值型和标称2型 。

工作原理:存在一个样本数据集合,也称为训练样本集,并且样本集中每个数据都存在标签,即我们知道样本集中每一个数据与所属分类的对应关系(训练集)。输入没有标签的新数据之后,将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较,然后算法提取样本集中特征最相似数据(最近邻)的分类标签(测试集)。一般来说,我们只选择样本数据集中前k个最相似的数据,这就是k-近邻算法中k的出处。(通常k不大于20) 。

2、使用Python导入数据

我们先写入一段代码 。

from numpy import *		# 导入numpy模块import operator		# 导入operator模块def createDataSet():		# 创建数据集函数	# 构建一个数组存放特征值    group = array(        [[1.0, 1.1], [1.0, 1.0], [0, 0], [0, 0.1]]    )    # 构建一个数组存放目标值    labels = ["A", "A", "B", "B"]    return group, labels

此处稍微介绍一下numpy这个包吧 。

3、numpy.array()

NumPy的主要对象是同种元素的多维数组。这是一个所有的元素都是一种类型、通过一个正整数元组索引的元素表格(通常是元素是数字)。 在NumPy中维度(dimensions)叫做轴(axes),轴的个数叫做秩(rank,但是和线性代数中的秩不是一样的,在用python求线代中的秩中,我们用numpy包中的linalg.matrix_rank方法计算矩阵的秩 线性代数中秩的定义:设在矩阵A中有一个不等于0的r阶子式D,且所有r+1阶子式(如果存在的话)全等于0,那末D称为矩阵A的最高阶非零子式,数r称为矩阵A的秩,记作R(A).

4、实施KNN分类算法

依照KNN算法,我们依次来 。

先准备好四个需要的数据 。

  • inX:用于分类的输入向量inX
  • dataSet:输入的训练样本集dataSet
  • labels:标签向量labels(元素数目和矩阵dataSet的行数相同)
  • k:选择最近邻居的数目

5、计算已知类别数据集中的点与当前点之间的距离

使用欧式距离:

Python机器学习之KNN近邻算法

6、完整代码

# 返回矩阵的行数dataSetSize = dataSet.shape[0]	# 列数不变,行数变成dataSetSize列diffMat = tile(inX, (dataSetSize, 1)) - dataSetsqDiffMat = diffMat ** 2sqDistances = sqDiffMat.sum(axis=1)distances = sqDistances**0.5

第一行 。

# 返回矩阵的行数dataSetSize = dataSet.shape[0]	# 以第一步的数据为例answer:4		# 4行

第二行 。

inX = [1. , 0.]# 列数不变,行数变成dataSetSize列diffMat = tile(inX, (dataSetSize, 1)) - dataSet# tile(inX, (dataSetSize, 1))inX = [	[1. , 0.],	[1. , 0.],	[1. , 0.],	[1. , 0.]]# inX - dataSet两个矩阵相减(行列相等相加相减才有意义)dataSet = [		[1. , 1.1],        [1. , 1. ],        [0. , 0. ],        [0. , 0.1]]diffMat = [	[0. , -1.1],	[0. , -1.],	[1. , 0.],	[1. , -0.1]]

第三行 。

# 求平方差sqDiffMat = diffMat * 2

第四行 。

# 计算矩阵中每一行元素之和# 此时会形成一个多行1列的矩阵sqDistances = sqDiffMat.sum(axis=1)

第五行 。

# 开根号distances = sqDistances**0.5

按照距离递增次序排序 。

# 对数组进行排序sortedDistIndicies = distances.argsort()

选择与当前点距离最小的k个点 。

classCount = {}		# 新建一个字典# 确定前k个距离最小元素所在的主要分类for i in range(k):	# voteIlabel的取值是labels中sortedDistIndicies[i]的位置	voteIlabel = labels[sortedDistIndicies[i]]	classCount[voteIlabel] = classCount.get(voteIlabel, 0) + 1

确定前k个点所在类别的出现概率 。

# 排序sortedClassCount = sorted(classCount.iteritems(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)

###11# 返回前k个点出现频率最高的类别作为当前点的预测分类 。

return sortedClassCount[0][0]

刚刚试一试C++的版本…小心,救命 。

#include <iostream>#include <vector>#include <algorithm>#include <cmath>#include <map>int sum_vector(std::vector<int>& v) {	int sum = 0;	for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {		sum = v[i] + sum;	}	return sum;}int knn(int k) {	using std::cout;	using std::endl;	using std::vector;	vector<vector<int>> x;		vector<int> x_sample = {2, 3, 4};		for (int i = 0; i < 4; ++i) {		x.push_back(x_sample);	}	vector<int> y = {1, 1, 1, 1};	int dataSetSize = x.size();			vector<int> x_test = {4, 3, 4};	vector<vector<int>> x_test_matrix;	for (int i = 0; i < dataSetSize; ++i) {		x_test_matrix.push_back(x_test);	}	vector<int> v_total;	for (int i = 0; i < dataSetSize; ++i) {		for (int j = 0; j < x_test_matrix[i].size(); ++j) {			x_test_matrix[i][j] = x_test_matrix[i][j] - x[i][j];			x_test_matrix[i][j] = x_test_matrix[i][j] * 2;		}		int sum_vec = sum_vector(x_test_matrix[i]);		v_total.push_back(sqrt(sum_vec));	}	sort(v_total.begin(), v_total.end());	std::map<int, int> mp;	for (int i = 0; i < k; ++i) {		int label = y[v_total[i]];		mp[label] += 1;	}	int max_end_result = 0;	for (std::map<int, int>::iterator it = mp.begin(); it != mp.end(); it++) {		if (it->first > max_end_result) {			max_end_result = it->first;		}	}	return max_end_result;}int main() {	int k = 12;	int value = knn(k);	std::cout << "result:" << std::endl;	return 0;}

7、数据处理、分析、测试

处理excel和txt数据 。

excel数据是矩阵数据,可直接使用,在此不做处理.

文本txt数据需要一些数据处理 。

def file2matrix(filename):	fr = open(filename)	# 读取行数据直到尾部	arrayOLines = fr.readlines()	# 获取行数	numberOfLines = len(arrayOLines)	# 创建返回shape为(numberOfLines, 3)numpy矩阵	returnMat = zeros((numberOfLines, 3))	classLabelVector = []	index = 0	for line in arrayOLines:		# 去除首尾的回车符		line = line.strip()		# 以tab字符"	"为符号进行分割字符串		listFromLine = line.split("	")		# 选取前3个元素,把他们存储到特征矩阵中		returnMat[index, :] = listFromLine[0: 3]		# 把目标变量放到目标数组中		classLabelVector.append(int(listFromLine[-1]))		index += 1	return returnMat, classLabelVector

数据归一化和标准化 。

在数值当中,会有一些数据大小参差不齐,严重影响数据的真实性,因此,对数据进行归一化和标准化是使得数据取值在一定的区间,具有更好的拟合度.

例如归一化就是将数据取值范围处理为0到1或者-1到1之间 。

# max:最大特征值# min:最小特征值newValue = (oldValue - min)/(max-min)

写个函数 。

def autoNorm(dataSet):	# min(0)返回该矩阵中每一列的最小值	minVals = dataSet.min(0)	# max(0)返回该矩阵中每一列的最大值	maxVals = dataSet.max(0)	# 求出极值	ranges = maxVals - minVals	# 创建一个相同行列的0矩阵	normDataSet = zeros(shape(dataSet))	# 得到行数	m = dataSet.shape[0]	# 得到一个原矩阵减去m倍行1倍列的minVals	normDataSet = dataSet - tile(minVlas, (m,1))	# 特征值相除	normDataSet = normDataSet/tile(ranges, (m, 1))	return normDataSet, ranges, minVals

归一化的缺点:如果异常值就是最大值或者最小值,那么归一化也就没有了保证(稳定性较差,只适合传统精确小数据场景) 。

标准化可查 。

8、鸢尾花数据测试

既然已经了解其内置的算法了,那么便调库来写一个吧 。

from sklearn.datasets import load_iris      # 导入内置数据集from sklearn.model_selection import train_test_split        # 提供数据集分类方法from sklearn.preprocessing import StandardScaler        # 标准化from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier      # KNNdef knn_iris():    # 获得鸢尾花数据集    iris = load_iris()    # 获取数据集    # random_state为随机数种子,一个数据集中相等的行不能大于6    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, random_state=6)    # 特征工程:标准化    transfer = StandardScaler()    # 训练集标准化    x_train = transfer.fit_transform(x_train)    # 测试集标准化    x_test = transfer.transform(x_test)    # 设置近邻个数    estimator = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)    # 训练集测试形成模型    estimator.fit(x_train, y_train)    # 模型预估    # 根据预测特征值得出预测目标值    y_predict = estimator.predict(x_test)    print("y_predict: ", y_predict)    # 得出预测目标值和真实目标值之间是否相等    print("直接比对真实值和预测值:", y_test == y_predict)    # 计算准确率    score = estimator.score(x_test, y_test)    print("准确率为:", score)def main():    knn_iris()if __name__ == "__main__":    main()

9、RESULT

Python机器学习之KNN近邻算法

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原文链接:https://blog.csdn.net/qq_48322523/article/details/116596178 。

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