机器学习入门之KNN算法和交叉验证与超参数搜索（三）

机器学习入门之KNN算法和交叉验证与超参数搜索（三）

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一、KNN算法-分类

1. 样本距离判断

KNN 算法中，样本之间的距离是判断相似性的关键。常见的距离度量方式包括：

明可夫斯基距离

• 欧式距离：明可夫斯基距离的特殊情况，公式为 (\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i - y_i)^2})。
• 曼哈顿距离：明可夫斯基距离的另一种特殊情况，公式为 (\sum_{i=1}^{n}|x_i - y_i|)。

2. KNN 算法原理

K-近邻算法（K-Nearest Neighbors，简称 KNN）是一种基于实例的学习方法。其核心思想是：如果一个样本在特征空间中的 k 个最相似（最邻近）样本中的大多数属于某个类别，则该样本也属于这个类别。例如，假设我们有 10000 个样本，选择距离样本 A 最近的 7 个样本，其中类别 1 有 2 个，类别 2 有 3 个，类别 3 有 2 个，则样本 A 被认为属于类别 2。

3. KNN 的缺点

• 计算量大：对于大规模数据集，需要计算测试样本与所有训练样本的距离。
• 维度灾难：在高维数据中，距离度量可能变得不那么有意义。
• 参数选择：需要选择合适的 k 值和距离度量方式，这可能需要多次实验和调整。

4. KNN 的 API

class sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=5, algorithm='auto')

• 参数：
  • n_neighbors：用于 kneighbors 查询的近邻数，默认为 5。
  • algorithm：找到近邻的方式，可选值为 {'auto', 'ball_tree', 'kd_tree', 'brute'}，默认为 'auto'。
• 方法：
  • fit(X, y)：使用 X 作为训练数据和 y 作为目标数据。
  • predict(X)：预测提供的数据，返回预测结果。

5. 使用 sklearn 实现 KNN 示例

以下是一个使用 KNN 算法对鸢尾花进行分类的完整代码示例：

# 用 KNN 算法对鸢尾花进行分类
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier# 1）获取数据
iris = load_iris()
print(iris.data.shape)  # (150, 4)
print(iris.feature_names)  # ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']
print(iris.target.shape)  # (150,)
print(iris.target)  # [0 0 0 ... 2 2 2]
print(iris.target_names)  # ['setosa' 'versicolor' 'virginica']# 2）划分数据集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, random_state=22)# 3）特征工程：标准化
transfer = StandardScaler()
x_train = transfer.fit_transform(x_train)
x_test = transfer.transform(x_test)# 4）KNN 算法预估器
estimator = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)
estimator.fit(x_train, y_train)# 5）模型评估
y_predict = estimator.predict(x_test)
print("y_predict:\n", y_predict)
print("直接比对真实值和预测值:\n", y_test == y_predict)
score = estimator.score(x_test, y_test)
print("准确率为：\n", score)  # 0.9473684210526315

6. 模型保存与加载

使用 joblib 可以方便地保存和加载模型：

import joblib# 保存模型
joblib.dump(estimator, "my_knn.pkl")# 加载模型
estimator = joblib.load("my_knn.pkl")# 使用模型预测
y_test = estimator.predict([[0.4, 0.2, 0.4, 0.7]])
print(y_test)

以下是整理后的 Markdown 格式内容：

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二、模型选择与调优：交叉验证与超参数搜索

1. 交叉验证

交叉验证是评估模型性能的重要方法，常见的交叉验证技术包括：

(1) 保留交叉验证（HoldOut）

• 原理：将数据集随机划分为训练集和验证集，通常比例为 70% 训练集和 30% 验证集。
• 优点：简单易行。
• 缺点：
  • 不适用于不平衡数据集。
  • 一部分数据未参与训练，可能导致模型性能不佳。

(2) K-折交叉验证（K-fold）

• 原理：将数据集划分为 K 个大小相同的部分，每次使用一个部分作为验证集，其余部分作为训练集，重复 K 次。
• 优点：充分利用数据，模型性能更稳定。
• 缺点：计算量较大。

(3) 分层 K-折交叉验证（Stratified K-fold）

• 原理：在每一折中保持原始数据中各个类别的比例关系，确保每个折叠的类别分布与整体数据一致。
• 优点：适用于不平衡数据集，验证结果更可信。

(4) 其他验证方法

• 留一交叉验证：每次只留一个样本作为验证集。
• 蒙特卡罗交叉验证：随机划分训练集和测试集，多次重复。
• 时间序列交叉验证：适用于时间序列数据。

(5) API 示例

from sklearn.model_selection import StratifiedKFoldstrat_k_fold = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)
indexs = strat_k_fold.split(X, y)for train_index, test_index in indexs:X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]

2. 超参数搜索（网格搜索，Grid Search）

网格搜索是一种自动寻找最佳超参数的方法，通过遍历所有可能的参数组合来找到最优解。

3. sklearn API

from sklearn.model_selection import GridSearchCVGridSearchCV(estimator, param_grid, cv=5)

• 参数：
  • estimator：模型实例。
  • param_grid：超参数的网格，例如 {"n_neighbors": [1, 3, 5, 7, 9, 11]}。
  • cv：交叉验证的折数，默认为 5。
• 属性：
  • best_params_：最佳参数。
  • best_score_：最佳模型的交叉验证分数。
  • best_estimator_：最佳模型实例。
  • cv_results_：交叉验证结果。

4. 示例：鸢尾花分类

以下是一个使用 KNN 算法对鸢尾花进行分类的完整代码示例，结合了分层 K-折交叉验证和网格搜索：

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold, GridSearchCV
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.preprocessing import StandardScaler# 加载数据
iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target# 初始化分层 K-折交叉验证器
strat_k_fold = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)# 创建 KNN 分类器实例
knn = KNeighborsClassifier()# 网格搜索与交叉验证
param_grid = {"n_neighbors": [1, 3, 5, 7, 9, 11]}
grid_search = GridSearchCV(knn, param_grid, cv=strat_k_fold)
grid_search.fit(X, y)# 输出结果
print("最佳参数：", grid_search.best_params_)  # {'n_neighbors': 3}
print("最佳准确率：", grid_search.best_score_)  # 0.9553030303030303
print("最佳模型：", grid_search.best_estimator_)  # KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)

通过分层 K-折交叉验证和网格搜索，我们可以找到最优的超参数，从而提高模型的性能。

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