Python底层实现KNN

今天给大家带来的是关于Python机器学习的相关知识,文章围绕着Python底层实现KNN展开,文中有非常详细的解释及代码示例,需要的朋友可以参考下

一、导入数据

借助python自带的pandas库导入数据，很简单。用的数据是下载到本地的红酒集。

代码如下（示例）：

import pandas as pd
def read_xlsx(csv_path):
   data = pd.read_csv(csv_path)
   print(data)
   return data

二、归一化

KNN算法中将用到距离，因此归一化是一个重要步骤，可以消除数据的量纲。我用了归一化，消除量纲也可以用标准化，但是作为新手，我觉得归一化比较简单。

其中最大最小值的计算用到了python中的numpy库，pandas导入的数据是DateFrame形式的，np.array()用来将DateFrame形式转化为可以用numpy计算的ndarray形式。

代码如下（示例）：

import numpy as np
def MinMaxScaler(data):
   col = data.shape[1]
   for i in range(0, col-1):
       arr = data.iloc[:, i]
       arr = np.array(arr) #将DataFrame形式转化为ndarray形式，方便后续用numpy计算
       min = np.min(arr)
       max = np.max(arr)
       arr = (arr-min)/(max-min)
       data.iloc[:, i] = arr
   return data

三、分训练集和测试集

先将数据值和标签值分别用x和y划分开，设置随机数种子random_state，若不设置，则每次运行的结果会不相同。test_size表示测试集比例。

def train_test_split(data, test_size=0.2, random_state=None):
   col = data.shape[1]
   x = data.iloc[:, 0:col-1]
   y = data.iloc[:, -1]
   x = np.array(x)
   y = np.array(y)
   # 设置随机种子，当随机种子非空时，将锁定随机数
   if random_state:
       np.random.seed(random_state)
       # 将样本集的索引值进行随机打乱
       # permutation随机生成0-len(data)随机序列
   shuffle_indexs = np.random.permutation(len(x))
   # 提取位于样本集中20%的那个索引值
   test_size = int(len(x) * test_size)
   # 将随机打乱的20%的索引值赋值给测试索引
   test_indexs = shuffle_indexs[:test_size]
   # 将随机打乱的80%的索引值赋值给训练索引
   train_indexs = shuffle_indexs[test_size:]
   # 根据索引提取训练集和测试集
   x_train = x[train_indexs]
   y_train = y[train_indexs]
   x_test = x[test_indexs]
   y_test = y[test_indexs]
   # 将切分好的数据集返回出去
   # print(y_train)
   return x_train, x_test, y_train, y_test

四、计算距离

此处用到欧氏距离，pow()函数用来计算幂次方。length指属性值数量，在计算最近邻时用到。

def CountDistance(train,test,length):
   distance = 0
   for x in range(length):
       distance += pow(test[x] - train[x], 2)**0.5
   return distance

五、选择最近邻

计算测试集中的一条数据和训练集中的每一条数据的距离，选择距离最近的k个，以少数服从多数原则得出标签值。其中argsort返回的是数值从小到大的索引值，为了找到对应的标签值。

tip:用numpy计算众数的方法

import numpy as np
#bincount（）：统计非负整数的个数，不能统计浮点数
counts = np.bincount(nums)
#返回众数
np.argmax(counts)

少数服从多数原则，计算众数，返回标签值。

def getNeighbor(x_train,test,y_train,k):
   distance = []
   #测试集的维度
   length = x_train.shape[1]
   #测试集合所有训练集的距离
   for x in range(x_train.shape[0]):
       dist = CountDistance(test, x_train[x], length)
       distance.append(dist)
   distance = np.array(distance)
   #排序
   distanceSort = distance.argsort()
   # distance.sort(key= operator.itemgetter(1))
   # print(len(distance))
   # print(distanceSort[0])
   neighbors =[]
   for x in range(k):
       labels = y_train[distanceSort[x]]
       neighbors.append(labels)
       # print(labels)
   counts = np.bincount(neighbors)
   label = np.argmax(counts)
   # print(label)
   return label

调用函数时：

getNeighbor(x_train,x_test[0],y_train,3)

六、计算准确率

用以上KNN算法预测测试集中每一条数据的标签值，存入result数组，将预测结果与真实值比较，计算预测正确的个数与总体个数的比值，即为准确率。

def getAccuracy(x_test,x_train,y_train,y_test):
   result = []
   k = 3
   # arr_label = getNeighbor(x_train, x_test[0], y_train, k)
   for x in range(len(x_test)):
       arr_label = getNeighbor(x_train, x_test[x], y_train, k)
       result.append(arr_label)
   correct = 0
   for x in range(len(y_test)):
       if result[x] == y_test[x]:
          correct += 1
   # print(correct)
   accuracy = (correct / float(len(y_test))) * 100.0
   print("Accuracy:", accuracy, "%")
   return accuracy