KNN算法与模型选择及调优

本文主要是介绍KNN算法与模型选择及调优，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

KNN算法-分类

1 样本距离判断

（1）欧式距离

欧式距离（Euclidean distance），也称为欧氏度量，是用来衡量两个点之间直线距离的方法。

（2）曼哈顿距离

曼哈顿距离（Manhattan distance），也称为城市街区距离，是在网格状坐标系统中，从一个点到另一个点的距离之和。

2 KNN 算法原理

K-近邻算法（K-Nearest Neighbors，简称KNN）是一种基于样本相似性的分类方法。它通过比较目标样本与其最近的 ( K ) 个邻居样本的类别来决定目标样本的类别。

具体步骤如下：

1. 选择 ( K )：确定要考虑的邻居数量 ( K )。

2. 计算距离：计算目标样本与所有其他样本的距离，找到距离最近的 ( K ) 个样本。

3. 投票决策：统计这 ( K ) 个邻居中各类别的出现次数，目标样本将被分配到出现次数最多的类别。

假设我们有 10000 个样本，并且选择 ( K = 5 )。我们需要对一个待分类的样本 B 进行分类。首先，我们找到与样本 B 距离最近的 5 个样本。假设这 5 个邻居的类别分布如下：

• 类别 A：3 个样本

• 类别 B：1 个样本

• 类别 C：1 个样本

在这种情况下，由于类别 A 的邻居样本最多，样本 B 将被分类为类别 A。

弊端：计算量大，维度灾难，需要选择合适的 ( K ) 值和距离度量

sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier 的主要参数和方法如下：
参数
n_neighbors：邻居数量，默认为 5。
algorithm：寻找邻居的算法，默认为 'auto'。
方法
fit(X, y)：训练模型。
predict(X)：进行预测。

使用KNN算法预测《唐人街探案》电影属于哪种类型？分别计算每个电影和预测电影的距离然后求解：

import pandas as pd
from collections import Counter
​
# 读取电影数据
data = pd.read_csv("./src/movies.csv")
df = pd.DataFrame(data)
​
# 目标电影数据
target_movie = {'电影名称': '唐人街探案','搞笑镜头': 23,'拥抱镜头': 3,'打斗镜头': 17,'距离': None  # 不需要实际的距离值
}
​
# 按距离排序并选择最近的3个邻居
k = 3
nearest_neighbors = df.sort_values(by='距离').head(k)#head(k) 是 pandas 的一个方法，用于从 DataFrame 的顶部获取前 k 行数据
​
# 统计K个邻居的电影类型
neighbor_types = nearest_neighbors['电影类型']
predicted_type = Counter(neighbor_types).most_common(1)[0][0]
#most_common(n) 是 Counter 类的一个方法，它返回出现频率最高的 n 个元素及其计数,返回一个列表，其中包含元组 (元素, 频次)。
#[0][0] 表示取第一个元组，然后取第一个元素，即电影类型
​
print(f"唐人街探案的预测电影类型是: {predicted_type}")

2.sklearn 实现KNN示例

用KNN算法对葡萄酒进行分类

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.datasets import load_wine
import joblib #模型保存与加载需导入
​
def knn(path):# 加载酒类数据集wine = load_wine()x = wine.data  # 特征数据y = wine.target  # 目标标签
​# 划分训练集和测试集x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2)
​# 创建并训练 KNN 模型model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)model.fit(x_train, y_train)
​# 评估模型准确率accuracy = model.score(x_test, y_test)print("准确率：", accuracy)
​# 保存模型joblib.dump(model, path)
​
# 定义模型保存路径并调用函数
path = './src/knn.pkl'
knn(path)
​
# 加载保存的模型
model = joblib.load(path)
​
# 预测新样本的类别
y_predict = model.predict([[2.16, 5.51, 1.34, 1.9, 2.76, 1.35, 4.43, 2.05, 0.94, 1.36, 4.36, 3.59, 1.86]])
print(y_predict)
​
# 输出预测结果对应的标签名
print(load_wine().target_names[y_predict])
​

模型选择与调优

1 交叉验证

(1) 保留交叉验证HoldOut

HoldOut 交叉验证将数据集分为训练集和验证集，通常70%用于训练，30%用于验证。这是一种简单直接的方法。

优点：

• 实现简单，操作方便。

缺点：

1. 不适用于不平衡数据集：在不平衡数据集中，训练集和验证集可能不均衡，导致模型无法有效学习少数类的数据。（比如80%的数据属于 “0 “类，其余20%的数据属于 “1 “类）

2. 数据利用不充分：在小数据集上，一部分数据用于验证，可能导致模型错过关键特征，影响性能。

(2) K-折交叉验证(K-fold)

K-Fold 交叉验证将数据集划分为K个大小相同的部分（Fold）。每次用一个Fold作为验证集，其余K-1个Fold作为训练集。这一过程重复K次，确保每个Fold都被用作验证集。

最终模型的准确度通过计算K次验证结果的平均值来获得。

(3) 分层k-折交叉验证Stratified k-fold

分层 K-Fold 交叉验证是 K-Fold 交叉验证的变种。在每一折中保持原始数据中各类别的比例。例如，如果原始数据有三类，比例为 1:2:1，那么每一折中的类别比例也保持 1:2:1。这种方法使得每一折的验证结果更加可靠。

(4) 其它验证

去除p交叉验证)
留一交叉验证）
蒙特卡罗交叉验证
时间序列交叉验证

(5)API的使用

strat_k_fold=sklearn.model_selection.KNeighborsClassifier(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)
​
•   n_splits划分为几个折叠 
•   shuffle是否在拆分之前被打乱(随机化),False则按照顺序拆分
•   random_state随机因子

from sklearn.datasets import load_wine
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
import numpy as np
​
# 加载葡萄酒数据集
wine = load_wine()
x = np.array(wine.data)  
y = np.array(wine.target)  
​
dts = []  
# 初始化分层 K-Fold 交叉验证器
kf = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=44)
​
# 遍历每个折叠
for train_index, test_index in kf.split(x, y):x_train, x_test = x[train_index], x[test_index]  # 划分训练集和测试集y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]# 初始化 KNN 分类器并训练knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)knn.fit(x_train, y_train)# 计算测试集的准确率并存储dt = knn.score(x_test, y_test)dts.append(dt)
​
print("每个折叠的准确率:", dts)
print("平均准确率:", np.mean(dts))

2 超参数搜索及其API使用

超参数搜索也叫网格搜索(Grid Search)

比如在KNN算法中，k是一个可以人为设置的参数，所以就是一个超参数。网格搜索能自动的帮助我们找到最好的超参数值。

sklearn.model_selection.GridSearchCV 是一个工具，用于同时进行网格搜索和交叉验证。它也被视为一个估计器（estimator）。

class sklearn.model_selection.GridSearchCV(estimator, param_grid)best_params_  最佳参数best_score_ 在训练集中的准确率best_estimator_ 最佳估计器cv_results_ 交叉验证过程描述best_index_最佳k在列表中的下标
参数：
estimator：待优化的 scikit-learn 估计器
param_grid：参数名称（字符串）和对应值列表的字典，如 {"n_neighbors": [1, 3, 5, 7, 9, 11]}
cv：交叉验证策略
None：默认5折
integer：指定折数
分类器使用“分层K折交叉验证”（StratifiedKFold），其他情况使用KFold。

3 示例-葡萄酒分类

用KNN算法对葡萄酒进行分类，添加网格搜索和交叉验证

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.datasets import load_wine
import joblib
​
x, y = load_wine(return_X_y=True)
​
knn = KNeighborsClassifier()
​
model = GridSearchCV(knn, {"n_neighbors": [5, 6, 9, 10]})
​
​
re = model.fit(x, y)
​
print("最佳参数:\n", model.best_params_)
print("最佳k在列表中的下标", model.best_index_)
print("最佳准确率:\n", model.best_score_)
print("最佳估计器:\n", model.best_estimator_)
print("交叉验证过程描述:\n", model.cv_results_)
​
# 使用最佳模型进行预测
y_predict = re.predict([[2.06, 5.41, 1.34, 1.85, 2.73, 1.65, 3.83, 2.05, 1.04, 1.36, 4.36, 3.49, 1.96]])
print(y_predict)
​
# 验证是否模型与最佳估计器相同
print(re == model.best_estimator_)
joblib.dump(model.best_estimator_, "./src/knn2.pkl")
​
model = joblib.load("./src/knn2.pkl")
​
# 使用加载的模型进行预测
y_predict = model.predict([[2.16, 5.51, 1.34, 1.9, 2.76, 1.35, 4.43, 2.05, 0.94, 1.36, 4.36, 3.59, 1.86]])
print(y_predict)
​

这篇关于KNN算法与模型选择及调优的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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