[人工智能]K近邻分类算法实战教程

K近邻(K-Nearest Neighbor ,简称KNN ) 是有监督非线性、非参数分类算法，非参数表示对数据集及其分布没有任何假设。它是最简单、最常用的分类算法之一，广泛应用于金融、医疗等领域。

K近邻算法

KNN算法中的k表示邻近数据结点的数量，其算法过程如下：

• 选择邻近结点数量K

• 计算出测试数据结点和K个最近结点的距离

• 在这个K个距离中，对每个分类进行计数

• 依据少数服从多数原则，将测试数据结点归入在K个点中占比最高的那一类

对于KNN分类算法，两点的距离计算采用欧式距离。请看下图：

假设数据集包括两类，分别为红色和蓝色表示。我们选择k为5，即基于欧式距离考虑5个最近结点，所以当测试新数据点时，5个结点，其中国三个蓝色、两个红色。则认为新数据点分类为蓝色。

实战示例

鸢尾花数据集(Iris)包括3种鸢尾(setosa, virginica, versicolor)各50个样本以及多个变量的数据集，是由英国统计学家和生物学家Ronald Fisher在其1936年的论文《The use of multiple measurements in taxonomic problems》中首次引用。Fisher从每个样本中测量了萼片和花瓣的长度和宽度等4个特征，并结合这4个特征建立了一个线性判别模型来区分不同的物种。

• 加载数据集，并查看概要信息

# Loading data
data(iris)
   
# Structure 
str(iris)

• 执行KNN分类

# 加载依赖包
library(e1071)
library(caTools)
library(class)

# 加载数据
# data(iris)
# head(iris)
  
# 把数据集分为训练集和测试集
split <- sample.split(iris, SplitRatio = 0.7)
train_cl <- subset(iris, split == "TRUE")
test_cl <- subset(iris, split == "FALSE")
  
# 标准化特征变量
train_scale <- scale(train_cl[, 1:4])
test_scale <- scale(test_cl[, 1:4])

# 使用k=1 拟合 KNN 分类模型 
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 1)
# classifier_knn
  
# 计算混淆矩阵
cm <- table(test_cl$Species, classifier_knn)
cm

#           classifier_knn
#            setosa versicolor virginica
# setosa         20          0         0
# versicolor      0         19         1
# virginica       0          0        20
  
# 模型评估 - 计算样本错误率
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
# print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))
# [1] "Accuracy = 0.933333333333333"  

# K = 3
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 3)
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))
# [1] "Accuracy = 0.933333333333333"

# K = 5
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 5)
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))
# [1] "Accuracy = 0.95"

# K = 7
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 7)
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))
# [1] "Accuracy = 0.966666666666667"

# K = 15
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 15)
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))
# [1] "Accuracy = 0.983333333333333"

# K = 19
classifier_knn <- knn(train = train_scale,
                      test = test_scale,
                      cl = train_cl$Species,
                      k = 19)
misClassError <- mean(classifier_knn != test_cl$Species)
print(paste('Accuracy =', 1-misClassError))

# [1] "Accuracy = 0.966666666666667"

当k为15时，模型的准确率达到98.3%，比k为1、3、5、7时的准确率更高。k为19时的精度为96.7%,这意味着增加k值不会增加精度，因此K为15更为合适。

KNN优劣

KNN方法思路简单，易于理解，易于实现，无需估计参数。
该算法在分类时有两个主要不足。当样本不平衡时，如一个类的样本容量很大，而其他类样本容量很小时，有可能导致当输入一个新样本时，该样本的K个邻居中大容量类的样本占多数 。该方法的另一个不足之处是计算量较大，因为对每一个待分类的文本都要计算它到全体已知样本的距离，才能求得它的K个最近邻点 。