介紹

在我遇到的所有機器學習算法中，KNN是最容易上手的。盡管它很簡單，但事實上它其實在某些任務中非常有效(正如你將在本文中看到的那樣)。

甚至它可以做的更好？它可以用于分類和回歸問題！然而，它其實更擅長用于分類問題。我很少看到KNN在任何回歸任務上實現。我在這里的目的是說明并強調，當目標變量本質上是連續的時，KNN是如何有效的運作的。

在本文中，我們將首先了解KNN算法背后的思維，研究計算點與點之間距離的不同方法，然后最終在Big Mart Sales數據集上用Python實現該算法。讓我們動起來吧

1.用簡單的例子來理解KNN背后的邏輯

讓我們從一個簡單的例子開始。請考慮下表 - 它包含10人的身高，年齡和體重(目標)值。如你所見，缺少ID11的重量值。我們需要根據他們的身高和年齡來預測這個人的體重。

注意：此表中的數據不代表實際值。它僅用作一個例子來解釋這個概念。

為了更清楚地了解這一點，下面是上表中高度與年齡的關系圖：

在上圖中，y軸表示人的身高(以英尺為單位)，x軸表示年齡(以年為單位)。這些點是根據ID值進行編號。黃點(ID 11)是我們的測試點。

如果我要求你根據圖來確定ID11的重量，你的答案會是什么？你可能會說，因為ID11 更接近第 5點和第1點，所以它必須具有與這些ID類似的重量，可能在72-77千克之間(表中ID1和ID5的權重)。這實際上是有道理的，但你認為算法會如何預測這些值呢？讓我們在下邊進行試驗討論。

2. KNN算法是怎樣工作的

如上所述，KNN可用于分類和回歸問題。該算法使用“ 特征相似性 ”來預測任何新數據點的值。這意味著新的點將根據其與訓練集中的點的接近程度而進行分配。從我們的例子中，我們知道ID11的高度和年齡類似于ID1和ID5，因此重量也大致相同。

如果這是一個分類問題，我們會采用該模式作為最終預測。在這種情況下，我們有兩個重量值--72和77.猜猜最終值是如何計算的？是取兩個重量的平均值來作為最終的預測值。

以下是該算法的逐步說明：首先，計算新的點與每個訓練點之間的距離。選擇最接近的k個數據點(基于距離)。在我們演示的例子中，如果k的值為3，則將選擇點1,5,6。我們將在本文后面進一步探索選擇正確的k值的方法。這些數據點的平均值是新點的最終預測值。在這里，我們的ID11的重量為 =(77 + 72 + 60)/ 3 = 69.66千克。

在接下來的幾節中，我們將詳細討論這三個步驟中的每一個。

3.點與點之間距離的計算方法

所述第一步驟是計算新點和每個訓練點之間的距離。計算該距離有多種方法，其中最常見的方法是 - 歐幾里德，曼哈頓(用于連續)和漢明距離(用于分類)。歐幾里德距離：歐幾里德距離計算為新點(x)和現有點(y)之間的差的平方和的平方根。

曼哈頓距離：這是實際向量之間的距離，使用它們的絕對差值之和表示。漢明距離：用于分類變量。如果值(x)和值(y)相同，則距離D將等于0。否則D = 1。

一旦一個新的觀測值與我們訓練集中的點之間的距離被測量出來，下一步就是要選擇最近的點。要考慮的點的數量由k的值定義。

4.如何選擇k因子

第二個步驟是選擇k值。這決定了我們在為任何新的觀察值賦值時所要考慮到的鄰居的數量。

在我們的示例中，k值 = 3，最近的點是ID1，ID5和ID6。

ID11的重量預測將是：

ID11 =(77 + 72 + 60)/ 3 ID11 = 69.66千克

如果k的值 = 5的話，那么距離最近的點將是ID1，ID4，ID5，ID6，ID10。

那么ID11的預測將是：

ID 11 =(77 + 59 + 72 + 60 + 58)/ 5 ID 11 = 65.2千克

我們注意到，基于k值，最終結果將趨于變化。那我們怎樣才能找出k的最優值呢？讓我們根據我們的訓練集和驗證集的誤差計算來決定它(畢竟，最小化誤差是我們的最終目標！)。

請看下面的圖表，了解不同k值的訓練誤差和驗證誤差。

對于非常低的k值(假設k = 1)，模型過度擬合訓練數據，這導致驗證集上的高錯誤率。另一方面，對于k的高值，該模型在訓練集和驗證集上都表現不佳。如果仔細觀察，驗證誤差曲線在k = 9的值處達到最小值。那么該k值就是是模型的最佳K值(對于不同的數據集，它將有所不同)。該曲線稱為“ 肘形曲線 ”(因為它具有類似肘部的形狀)，通常用于確定k值。

你還可以使用網格搜索技術來查找最佳k值。我們將在下一節中實現這一點。

5.處理數據集(Python代碼)

到目前為止，你應該清楚的了解這個算法。我們現在將繼續在數據集上實現該算法。我使用Big Mart銷售數據集來進行代碼實現，你可以從此鏈接下載它，邀請碼為b543。

1.閱讀文件

import pandas as pd df = pd.read_csv('train.csv') df.head()

2.計算缺失值

df.isnull().sum() #輸入Item_weight和Outlet_size中缺少的值 mean = df['Item_Weight'].mean() #imputing item_weight with mean df['Item_Weight'].fillna(mean, inplace =True) mode = df['Outlet_Size'].mode() #imputing outlet size with mode df['Outlet_Size'].fillna(mode[0], inplace =True)

3.處理分類變量并刪除id列

df.drop(['Item_Identifier', 'Outlet_Identifier'], axis=1, inplace=True) df = pd.get_dummies(df)

4.創建訓練集和測試集

from sklearn.model_selection import train_test_split train , test = train_test_split(df, test_size = 0.3) x_train = train.drop('Item_Outlet_Sales', axis=1) y_train = train['Item_Outlet_Sales'] x_test = test.drop('Item_Outlet_Sales', axis = 1) y_test = test['Item_Outlet_Sales']

5.預處理 - 擴展功能

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1)) x_train_scaled = scaler.fit_transform(x_train) x_train = pd.DataFrame(x_train_scaled) x_test_scaled = scaler.fit_transform(x_test) x_test = pd.DataFrame(x_test_scaled)

6.查看不同K值的錯誤率

#導入所需要的包 from sklearn import neighbors from sklearn.metrics import mean_squared_error from math import sqrt import matplotlib.pyplot as plt %matplotlib inline rmse_val = [] #存儲不同K值的RMSE值 for K in range(20): K = K+1 model = neighbors.KNeighborsRegressor(n_neighbors = K) model.fit(x_train, y_train) #合適的模型 pred=model.predict(x_test) #對測試集進行測試 error = sqrt(mean_squared_error(y_test,pred)) #計算RMSE值 rmse_val.append(error) #存儲RMSE值 print('RMSE value for k= ' , K , 'is:', error)

輸出：

RMSE value for k = 1 is: 1579.8352322344945 RMSE value for k = 2 is: 1362.7748806138618 RMSE value for k = 3 is: 1278.868577489459 RMSE value for k = 4 is: 1249.338516122638 RMSE value for k = 5 is: 1235.4514224035129 RMSE value for k = 6 is: 1233.2711649472913 RMSE value for k = 7 is: 1219.0633086651026 RMSE value for k = 8 is: 1222.244674933665 RMSE value for k = 9 is: 1219.5895059285074 RMSE value for k = 10 is: 1225.106137547365 RMSE value for k = 11 is: 1229.540283771085 RMSE value for k = 12 is: 1239.1504407152086 RMSE value for k = 13 is: 1242.3726040709887 RMSE value for k = 14 is: 1251.505810196545 RMSE value for k = 15 is: 1253.190119191363 RMSE value for k = 16 is: 1258.802262564038 RMSE value for k = 17 is: 1260.884931441893 RMSE value for k = 18 is: 1265.5133661294733 RMSE value for k = 19 is: 1269.619416217394 RMSE value for k = 20 is: 1272.10881411344

#根據K值繪制RMSE值 curve = pd.DataFrame(rmse_val) #elbow curve curve.plot()

正如我們所討論的，當我們取k = 1時，我們得到一個非常高的RMSE值。隨著我們增加k值，RMSE值不斷減小。在k = 7時，RMSE約為1219.06，并且隨著K值在進一步增加，RMSE值會迅速上升。我們可以有把握地說，在這種情況下，k = 7會給我們帶來最好的結果。

這些是使用我們的訓練數據集進行的預測。現在讓我們預測測試數據集的值并進行提交。

7.對測試數據集的預測

#閱讀測試和提交文件 test = pd.read_csv('test.csv') submission = pd.read_csv('SampleSubmission.csv') submission['Item_Identifier'] = test['Item_Identifier'] submission['Outlet_Identifier'] = test['Outlet_Identifier'] #預處理測試數據集 test.drop(['Item_Identifier', 'Outlet_Identifier'], axis=1, inplace=True) test['Item_Weight'].fillna(mean, inplace =True) test = pd.get_dummies(test) test_scaled = scaler.fit_transform(test) test = pd.DataFrame(test_scaled) #預測測試集并創建提交文件 predict = model.predict(test) submission['Item_Outlet_Sales'] = predict submission.to_csv('submit_file.csv',index=False)

在提交此文件后，我得到的RMSE為1279.5159651297。

8.實現GridsearchCV

為了確定k的值，每次繪制肘部曲線是一個繁瑣且繁瑣的過程。你只需使用gridsearch即可簡單的找到最佳值。

from sklearn.model_selection import GridSearchCV params = {'n_neighbors':[2,3,4,5,6,7,8,9]} knn = neighbors.KNeighborsRegressor() model = GridSearchCV(knn, params, cv=5) model.fit(x_train,y_train) model.best_params_

輸出：

{'n_neighbors': 7}

6.結束語和其他資源

在本文中，我們介紹了KNN算法的工作原理及其在Python中的實現。它是最基本但最有效的機器學習技術之一。并且在本文中，我們是直接調用了Sklearn庫中的KNN模型，如果你想更仔細的研究一下KNN的話，我建議你可以手敲一下有關KNN的源代碼。

本文作者介紹了如何使用KNN算法去進行完成回歸任務，大家如果感興趣的話，可以跟著本文敲一遍代碼，進行練習，畢竟看10篇文章也不如去敲一遍代碼，畢竟看文章看看也就過去了，如果敲一遍代碼的話，就會加深自己的印象，如果想深入的去了解KNN算法的話，可以自己去研究一下KNN的源代碼，然后敲一遍，我們后邊也會放出有關KNN源代碼的文章，當然其他算法的文章我們也會發布，請大家到時候多多捧場。

A Practical Introduction to K-Nearest Neighbors Algorithm for Regression (with Python code)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的k近邻回归算法python_K近邻算法用作回归的使用介绍（使用Python代码）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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