各位同學好，今天我向大家介紹一下python機器學習中的K近鄰算法。內容有：K近鄰算法的原理解析；實戰案例--紅酒分類預測。紅酒數據集、完整代碼在文章最下面。

案例簡介：有178個紅酒樣本，每一款紅酒含有13項特征參數，如鎂、脯氨酸含量，紅酒根據這些特征參數被分成3類。要求是任意輸入一組紅酒的特征參數，模型需預測出該紅酒屬于哪一類。

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1. K近鄰算法介紹

1.1 算法原理

? ? ? ?原理：如果一個樣本在特征空間中的k個最相似（即特征空間中最鄰近）的樣本中的大多數屬于某一個類別，那么該樣本也屬于這個類別。簡單來說就是，求兩點之間的距離，看距離誰是最近的，以此來區分我們要預測的這個數據是屬于哪個分類。

? ? ? ?我們看圖來理解一下。藍色點是屬于a類型的樣本點，粉色點是屬于b類型的樣本點。此時新來了一個點（黃色點），怎么判斷是屬于它是a類型還是b類型呢。

? ? ? ? 方法是：新點找距離自身最近的k個點（k可變）。分別計算新點到其他各個點的距離，按距離從小到大排序，找出距離自身最近的k個點。統計在這k個點中，有多少點屬于a類，有多少點屬于b類。在這k個點中，如果屬于b類的點更多，那么這個新點也屬于b分類。距離計算公式也是我們熟悉的勾股定理。?

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1.2 算法優缺點

算法優點：簡單易理解、無需估計參數、無需訓練。適用于幾千-幾萬的數據量。

算法缺點：對測試樣本計算時的計算量大，內存開銷大，k值要不斷地調整來達到最優效果。k值取太小容易受到異常點的影響，k值取太多產生過擬合，影響準確性。

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2. 紅酒數據集

2.1 數據集獲取方式

? ? ? ?紅酒數據集是Scikit-learn庫中自帶的數據集，我們只需要直接調用它，然后打亂它的順序來進行我們自己的分類預測。首先我們導入Scikit-learn庫，如果大家使用的是anaconda的話，這個庫中的數據集都是提前安裝好了的，我們只需要調用它即可。

找不到這個數據集的，我把紅酒數據集連接放在文末了，有需要的自取。

Scikit-learn數據集獲取方法：

（1）用于獲取小規模數據集，數據集已在系統中安裝好了的

sklearn.datasets.load_數據名() ?

from sklearn import datasets
#系統中已有的波士頓房價數據集
boston = datasets.load_boston()  

（2）遠程獲取大規模數據集安裝到本地，data_home默認是位置是/scikit_learn_data/

sklearn.datasets.fetch_數據名(data_home = 數據集下載目錄) ?

# 20年的新聞數據下載到
datasets.fetch_20newsgroups(data_home = './newsgroups.csv') #指定文件位置

這兩種方法返回的數據是?.Bunch類型，它有如下屬性：

data：特征數據二維數組；相當于x變量
target：標簽數組；相當于y變量
DESCR：數據描述
feature_names：特征名。新聞數據、手寫數據、回歸數據沒有
target_name：標簽名?；貧w數據沒有

想知道還能獲取哪些數據集的同學，可去下面這個網址查看具體操作：

https://sklearn.apachecn.org/#/docs/master/47

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2.2 獲取紅酒數據

? ? ? ?首先導入sklearn的本地數據集庫，變量wine獲取紅酒數據，由于wine接收的返回值是.Bunch類型的數據，因此我用win_data接收所有特征值數據，它是178行13列的數組，每一列代表一種特征。win_target用來接收所有的目標值，本數據集中的目標值為0、1、2三類紅酒。如果大家想更仔細的觀察這個數據集，可以通過wine.DESCR來看這個數據集的具體描述。

? ? ? ? 然后把我們需要的數據轉換成DataFrame類型的數據。為了使預測更具有一般性，我們把這個數據集打亂。操作如下：

from sklearn import datasets
wine = datasets.load_wine()  # 獲取葡萄酒數據
wine_data = wine.data  #獲取葡萄酒的索引data數據，178行13列
wine_target = wine.target  #獲取分類目標值# 將數據轉換成DataFrame類型
wine_data = pd.DataFrame(data = wine_data)
wine_target = pd.DataFrame(data = wine_target)# 將wine_target插入到第一列，并給這一列的列索引取名為'class'
wine_data.insert(0,'class',wine_target)# ==1== 變量.sample(frac=1)           表示洗牌，重新排序
# ==2== 變量.reset_index(drop=True)   使index從0開始排序wine = wine_data.sample(frac=1).reset_index(drop=True)  #把DataFrame的行順序打亂

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? ? ? 我們取出最后10行數據用作后續的驗證預測結果是否正確，這10組數據分出特征值（相當于x）和目標值（相當于y）。剩下的數據也分出特征值features和目標值targets，用于模型訓練。剩下的數據中還要劃分出訓練集和測試集，下面再詳述。到此，數據處理這塊完成。

#取后10行，用作最后的預測結果檢驗。并且讓index從0開始，也可以不寫.reset_index(drop=True)
wine_predict = wine[-10:].reset_index(drop=True)  
# 讓特征值等于去除'class'后的數據
wine_predict_feature = wine_predict.drop('class',axis=1)
# 讓目標值等于'class'這一列
wine_predict_target = wine_predict['class']wine = wine[:-10]  #去除后10行
features = wine.drop(columns=['class'],axis=1)  #刪除class這一列，產生返回值
targets = wine['class']  #class這一列就是目標值

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3. 紅酒分類預測

3.1 劃分測試集和訓練集

一般采用75%的數據用于訓練，25%用于測試，因此在數據進行預測之前，先要對數據劃分。

劃分方式：

使用sklearn.model_selection.train_test_split 模塊進行數據分割。

x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x, y, test_size=數據占比)

train_test_split() 括號內的參數：
x：數據集特征值(features)
y：數據集目標值(targets)
test_size： 測試數據占比，用小數表示，如0.25表示，75%訓練train，25%測試test。

train_test_split() 的返回值：
x_train：訓練部分特征值
x_test:? ? 測試部分特征值
y_train：訓練部分目標值
y_test:? ? 測試部分目標值

# 劃分測試集和訓練集
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(features,targets,test_size=0.25)

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3.2 數據標準化

? ? ? ?由于不同數據的單位不同，數據間的跨度較大，對結果影響較大，因此需要進行數據縮放，例如歸一化和標準化?？紤]到歸一化的缺點：如果異常值較多，最大值和最小值間的差值較大，會造成很大影響。我采用數據標準化的方法，采用方差標準差，使標準化后的數據均值為0，標準差為1，使數據滿足標準正態分布。

# 先標準化再預測
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  #導入標準化縮放方法
scaler = StandardScaler()  #變量scaler接收標準化方法
# 傳入特征值進行標準化
# 對訓練的特征值標準化
x_train = scaler.fit_transform(x_train) 
# 對測試的特征值標準化
x_test = scaler.fit_transform(x_test)   
# 對驗證結果的特征值標準化
wine_predict_feature = scaler.fit_transform(wine_predict_feature) 

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?3.3 K近鄰預測分類

使用sklearn實現k近鄰算法

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier?

KNeighborsClassifier(n_neighbors = 鄰居數,algorithm = '計算最近鄰居算法')

.fit(x_train，y_train)

KNeighborsClassifier()?括號內的參數：

n_neighbors：int類型，默認是5，可以自己更改。（找出離自身最近的k個點）

algorithm：用于計算最近鄰居的算法。有：'ball_tree'、'kd_tree'、'auto'。默認是'auto'，根據傳遞給fit()方法的值來決定最合適的算法，自動選擇前兩個方法中的一個。

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  #導入k近鄰算法庫
# k近鄰函數
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5,algorithm='auto')
# 把訓練的特征值和訓練的目標值傳進去
knn.fit(x_train,y_train)

? ? ? ? 將訓練所需的特征值和目標值傳入.fit()方法之后，即可開始預測。首先利用.score()評分法輸入用于測試的特征值和目標值，來看一下這個模型的準確率是多少，是否是滿足要求，再使用.predict()方法預測所需要的目標值。

評分法：根據x_test預測結果，把結果和真實的y_test比較，計算準確率

.score(x_test, y_test)

預測方法：

.predict(用于預測的特征值)

# 評分法計算準確率
accuracy = knn.score(x_test,y_test)
# 預測，輸入預測用的x值
result = knn.predict(wine_predict_feature)

? ? ? ?accuracy存放準確率，result存放預測結果，最終準確率為0.952，最終的分類結果和wine_predict_target存放的實際分類結果有微小偏差。

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紅酒數據集免費獲取：

python實戰K近鄰算法，紅酒分類預測數據集.xls-Python文檔類資源-CSDN下載

完整代碼如下：

python機器學習K近鄰算法--紅酒分類預測.py-Python文檔類資源-CSDN下載

import pandas as pd
from sklearn import datasetswine = datasets.load_wine()  # 獲取葡萄酒數據
wine_data = wine.data  #獲取葡萄酒的索引data數據，178行13列
wine_target = wine.target  #獲取分類目標值wine_data = pd.DataFrame(data = wine_data)  #轉換成DataFrame類型數據
wine_target = pd.DataFrame(data = wine_target)
# 將target插入到第一列
wine_data.insert(0,'class',wine_target)# ==1== 變量.sample(frac=1)           表示洗牌，重新排序
# ==2== 變量.reset_index(drop=True)   使index從0開始排序，可以省略這一步
wine = wine_data.sample(frac=1).reset_index(drop=True)# 拿10行出來作驗證
wine_predict = wine[-10:].reset_index(drop=True)
wine_predict_feature = wine_predict.drop('class',axis=1)  #用于驗證的特征值，輸入到predict()函數中
wine_predict_target = wine_predict['class']  #目標值，用于和最終預測結果比較wine = wine[:-10]  #刪除后10行
features = wine.drop(columns=['class'],axis=1)  #刪除class這一列，產生返回值，這個是特征值
targets = wine['class']  #class這一列就是目標值
# 相當于13個特征值對應1個目標# 劃分測試集和訓練集
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(features,targets,test_size=0.25)# 先標準化再預測
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  #導入標準化縮放方法
scaler = StandardScaler()  #變量scaler接收標準化方法# 傳入特征值進行標準化
x_train = scaler.fit_transform(x_train)  #對訓練的特征值標準化
x_test = scaler.fit_transform(x_test)    #對測試的特征值標準化
wine_predict_feature = scaler.fit_transform(wine_predict_feature)# 使用K近鄰算法分類
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  #導入k近鄰算法庫
# k近鄰函數
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5,algorithm='auto')# 訓練，把訓練的特征值和訓練的目標值傳進去
knn.fit(x_train,y_train)
# 檢測模型正確率--傳入測試的特征值和目標值
# 評分法，根據x_test預測結果，把結果和真實的y_test比較，計算準確率
accuracy = knn.score(x_test,y_test)
# 預測，輸入預測用的x值
result = knn.predict(wine_predict_feature)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【机器学习入门】(1) K近邻算法：原理、实例应用（红酒分类预测）附python完整代码及数据集的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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