KNN算法思想与应用例子

这篇文章是在学习KNN时写的笔记，所参考的书为《机器学习实战》，希望深入浅出地解释K近邻算法的思想，最后放一个用k近邻算法识别图像数字的例子。    

KNN算法也称K近邻，是一种监督学习算法，即它需要训练集参与模型的构建。它适用于带标签集的行列式（可理解为二维数组）的数据集。

需要准备的数据有：训练数据集，训练标签集（每个数据与每个标签都一一对应）用于参与模型构建；
    需要测试的数据集——通过这个模型得出——标签集（每个数据对应的标签）

举个例子：我们把人体的指标量化，比如体重多少，三围多少，脂肪比例多少，然后这个标签就是性别（男或女）。我们的训练数据集就是500个男性和500个女性的身体指标，每个数据对应性别标签（男或女），这个就是训练标签集。然后我们输入一个人的指标，模型给出一个性别的判断，这个就是输出的标签集，也就是最后的预测结果。

算法的流程为：

1、计算输入测试数据与训练数据集的距离，这里用欧式距离来计算。

2、根据得到的距离大小，按升序排序

3、取前K个距离最小的数据集对应的标签

4、计算这些标签的出现频率

5、取出现频率最高的标签作为输入的测试数据的最后的标签，即预测结果

其中，欧式距离的计算公式如下：http://cda.pinggu.org/uploadfile/image/20180817/20180817064200_13074.png

这个公式怎么理解呢？假设输入的被测数据为A，它有两个维度（或者说字段），分别是AX­1和AX2。B为训练数据集，同理也有两个维度，BX­1和BX2和，所以以上的计算公式即不同维度的差的平方的和的开方。

下面直接贴上代码，每一段都附有注释，希望童鞋们可以通过理解代码的执行来掌握整个KNN算法的流程。

# KNN算法主程序
     
    def knnmain(inX,dataset,labels,k):   #输入量有（被测数据，训练数据集，训练标签集，K值），输入量皆为数组形式
        datasetsite=dataset.shape[0]   #取训练数据集的总数量n
        inXdata=tile(inX,(datasetsite,1))   #将被测数据的数组复制为n行相同数组组成的二维数组，方便下面的欧式距离计算
        sqdistance=inXdata-dataset   #开始计算欧式距离，这里计算被测数据和训练数据集之间相同维度的差
        distance=sqdistance**2   #计算差的平方
        dist=distance.sum(axis=1)  #计算不同维度的差的平方的总和
        lastdistance=dist**0.5   #将总和开方
        sortnum=lastdistance.argsort() #返回从小到大（增序）的索引值
        countdata={}   #创建一个空字典用于储存标签和对应的数量值
        for i in range(k):   
            vlabels=labels[sortnum[i]]   #将前k个距离最近的数据的标签传给vlabels
            countdata[vlabels]=countdata.get(vlabels,0) 1   #vlabels作为字典的键，而其出现的次数作为字典的值
        sortnumzi=sorted(countdata.iteritems(),key=operator.itemgetter(1),reverse=True)   #将字典按值降序排序，即第一位是出现次数最多的标签
        return sortnumzi[0][0]   #返回出现次数最多的标签值

整个KNN算法的核心思想是比较简洁的，下面贴一个手写数字识别的应用。

一个文本文档里储存一个32*32的由1和0组成的图像，差不多是下图所示：

      http://cda.pinggu.org/uploadfile/image/20180817/20180817064152_56936.png

我们大概能识别出第一个图片里是0，第二个图片里是1，实际上每个文本文档都有一个文档名，如第一个图片的文档名就是"0_0.txt"，那么我们就可以从文档名里取得该图片的标签。我们有一个训练文件夹，里面的文档文件可以获取并构成训练数据集和训练标签集。

我们也有一个测试文件夹，同理里面的文档文件也可以获取并构成测试数据集和测试标签集（拿来与预测结果做对比）。文件夹截图如下：

 http://cda.pinggu.org/uploadfile/image/20180817/20180817064140_21105.png

下面直接贴上代码帮助理解

先是一个将32*32的文本文档转化为1*1024的程序，因为我们写的KNN算法主程序是以一行为单位的。

def to_32(filename):
        returnoss=zeros((1,1024))
        ma=open(filename)    
        i=int(0)
        for line in ma.readlines():   
            for j in range(32):
                returnoss[0,i*32 j]=line[j]
            i = 1
        return returnoss

下面是手写数字识别程序：

    def distinguish():
        filestrain=listdir('trainingDigits')  #打开训练集文件夹
        filestest=listdir('testDigits')   #打开测试集文件夹
        mtrain=len(filestrain)    #训练集文件数量
        mtest=len(filestest)      #测试集文件数量
        allfilestrain=zeros((mtrain,1024))  #m行1024列的矩阵
        allfilestest=zeros((mtest,1024))
        labelstrain=[]  #创造一个空列表用于储存试验向量的标签
        labelstest=[]
        for i in range(mtrain):
            nametrain=filestrain[i]   #选取文件名
            inX=open('trainingDigits/%s' % nametrain)
            allfilestrain[i,:]=to_32(inX)   ##把每个文件中的32*32矩阵转换成1*1024的矩阵
            label1=nametrain.split('.')[0]
            label1=int(label1.split('_')[0])   #获取每个数据的标签
            labelstrain.append(label1)   #将所有标签合成一个列表
        for j in range(mtest):
            nametest=filestest[j]
            inY=open('trainingDigits/%s' % nametest)
            allfilestest[j,:]=to_32(inY)
            label2=nametest.split('.')[0]
            label2=int(label2.split('_')[0])
            labelstest.append(label2)
        labelstrain=np.array(labelstrain)
        labelstest=np.array(labelstest)
        grouptrain=allfilestrain
        grouptest=allfilestest
        error=0.0   #初始化判断错误率
        results=[]
        for line in grouptest:
            result=knnmain(line,grouptrain,labelstrain,3)
            results.append(result)
        errornum=0 ##初始化判断错误数量
        print 'the wrong prodiction as:'
        for i in range(mtest):
            if results[i] != labelstest[i]:
                print 'result=',results[i],'labelstest=',labelstest[i] #输出所有判断错误的例子
                errornum =1
        print 'the errornum is:',errornum   #输出判断错误量
        print 'the allnum is:',mtest   #输出总测试量
        error=float(errornum/float(mtest))
        print 'the error persent is:',error   #输出总测试错误率

该程序运行截图如下：

http://cda.pinggu.org/uploadfile/image/20180817/20180817064130_58090.png

我们看到错误率是比较低，说明该算法的精度是很高的。

结语：从上面例子的应用来看，KNN算法的精度是很高，但是对噪声有些敏感，我们观察上面的运行结果，凡是判断失误的一般是两个数字长得比较像，比如9和5，下面的勾很像，9和7，也是比较像的，也就是说，假如测试的数据有些偏于常态，可能一个7长得比较歪，那就判断为9了，这些都是噪声，它对这些噪声的数据是无法精准识别的，因为k值较小，下面会说到k值得取值问题。另有，它的计算相对复杂，若对象数据集巨大，则计算量也很大。当然，最重要的一点，对k值的把握很重要，这一般是根据具体情况来判断，较大的k值能减少噪声干扰，但会使分类界限模糊，较小的k值又容易被噪声影响。一般取一个较小的k值，再通过交叉验证来选取最优k值。