kNN算法原理
1、K最近鄰(k-NearestNeighbor，KNN)分類算法，是一個理論上比較成熟的方法，也是最簡單的機器學習算法之一。該方法的思路是：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，則該樣本也屬于這個類別。
2、KNN算法中，所選擇的鄰居都是已經正確分類的對象。該方法在定類決策上只依據最鄰近的一個或者幾個樣本的類別來決定待分樣本所屬的類別。 KNN方法雖然從原理上也依賴于極限定理，但在類別決策時，只與極少量的相鄰樣本有關。由于KNN方法主要靠周圍有限的鄰近的樣本，而不是靠判別類域的方法來確定所屬類別的，因此對于類域的交叉或重疊較多的待分樣本集來說，KNN方法較其他方法更為適合。
3、KNN算法不僅可以用于分類，還可以用于回歸。通過找出一個樣本的k個最近鄰居，將這些鄰居的屬性的平均值賦給該樣本，就可以得到該樣本的屬性。更有用的方法是將不同距離的鄰居對該樣本產生的影響給予不同的權值(weight)，如權值與距離成正比。
簡言之，就是將未標記的案例歸類為與它們最近相似的、帶有標記的案例所在的類。
原理及舉例
工作原理：我們知道樣本集中每一個數據與所屬分類的對應關系，輸入沒有標簽的新數據后，將新數據與訓練集的數據對應特征進行比較，找出“距離”最近的k（通常k<20）數據，選擇這k個數據中出現最多的分類作為新數據的分類。
算法描述
1、計算已知數據集中的點與當前點的距離
2、按距離遞增次序排序
3、選取與當前數據點距離最近的K個點
4、確定前K個點所在類別出現的頻率
5、返回頻率最高的類別作為當前類別的預測
距離計算方法有"euclidean"（歐氏距離）,”minkowski”（明科夫斯基距離）, "maximum"（切比雪夫距離）, "manhattan"（絕對值距離）,"canberra"（蘭式距離）, 或 "minkowski"（馬氏距離）等
Usage
knn(train, test, cl, k = 1, l = 0, prob =FALSE, use.all = TRUE)
Arguments
train
matrix or data frame of training set cases.
test
matrix or data frame of test set cases. A vector will ?be interpreted as a row vector for a single case.
cl
factor of true classifications of training set
k
number of neighbours considered.
l
minimum vote for definite decision, otherwisedoubt. (More precisely, less thank-ldissenting votes are allowed, even
ifkis ?increased by ties.)
prob
If this is true, the proportion of the votes for the
winning class are returned as attributeprob.
use.all
controls handling of ties. If true, all distances equal
to thekth largest are
included. If false, a random selection of distances equal to thekth is chosen to use exactlykneighbours.
一、R語言KKNN公式說明：
kknn(formula = formula(train), train, test, na.action = na.omit(), k = 7, distance = 2, kernel = "optimal", ykernel = NULL, scale=TRUE, contrasts = c('unordered' = "contr.dummy", ordered = "contr.ordinal"))
參數：
formula ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?A formula object.
train ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Matrix or data frame of training set cases.
test ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Matrix or data frame of test set cases.
na.action ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? A function which indicates what should happen when the data contain ’NA’s.
k ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Number of neighbors considered.
distance ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Parameter of Minkowski distance.
kernel ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Kernel to use. Possible choices are "rectangular" (which is standard unweighted knn), "triangular", "epanechnikov" (or beta(2,2)), "biweight" (or beta(3,3)), "triweight" (or beta(4,4)), "cos", "inv", "gaussian", "rank" and "optimal".
ykernel ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Window width of an y-kernel, especially for prediction of ordinal classes.
scale ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Logical, scale variable to have equal sd.
contrasts ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? A vector containing the ’unordered’ and ’ordered’ contrasts to use
kknn的返回值如下：
fitted.values ? ? ? ? ? ? ?Vector of predictions.
CL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Matrix of classes of the k nearest neighbors.
W ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Matrix of weights of the k nearest neighbors.
D ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Matrix of distances of the k nearest neighbors.
C ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Matrix of indices of the k nearest neighbors.
prob ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Matrix of predicted class probabilities.
response ? ? ? ? ? ? ? ? ? Type of response variable, one of continuous, nominal or ordinal.
distance ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Parameter of Minkowski distance.
call ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?The matched call.
terms ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?The ’terms’ object used.
實例：
library(ggvis)
iris%>%ggvis(~Length,~Sepal.Width,fill=~Species)
iris%>%ggvis(~Length,~Sepal.Width,fill=~Species)
library（kknn）
data（iris）
dim(iris)
m<-(dim(iris))[1]
val<-sample(1:m,size=round(m/3）,replace=FALSE,prob=rep(1/m,m))
建立訓練數據集
data.train<-iris[-val,]
建立測試數據集
data.test<-iris[val,]
調用kknn ?之前首先定義公式
formula ：Species ~ Sepal.Length + Sepal.Width + Petal.Length + Petal.Width
iris.kknn<-kknn(Species~.,iris.train,iris.test,distance=1,kernel="triangular")
summary(iris.kknn)
# 獲取fitted.values
fit <- fitted(iris.kknn)
# 建立表格檢驗判類準確性
table(iris.valid$Species, fit)
# 繪畫散點圖，k-nearest neighbor用紅色高亮顯示
pcol <- as.character(as.numeric(iris.valid$Species))
pairs(iris.valid[1:4], pch = pcol, col = c("green3", "red")[(iris.valid$Species != fit)+1]
二、R語言knn算法
install.packages("class")
library(class)
對于新的測試樣例基于距離相似度的法則，確定其K個最近的鄰居，在K個鄰居中少數服從多數
確定新測試樣例的類別
1、獲得數據
2、理解數據
對數據進行探索性分析，散點圖
如上例
3、確定問題類型，分類數據分析
4、機器學習算法knn
5、數據處理，歸一化數據處理
normalize <- function(x){
num <- x - min(x)
denom <- max(x) - min(x)
return(num/denom)
}
iris_norm <-as.data.frame(lapply(iris[,1:4], normalize))
summary(iris_norm)
6、訓練集與測試集選取
一般按照3:1的比例選取
方法一、set.seed(1234)
ind <- sample(2,nrow(iris), replace=TRUE, prob=c(0.67, 0.33))
iris_train <-iris[ind==1, 1:4]
iris_test <-iris[ind==2, 1:4]
train_label <-iris[ind==1, 5]
test_label <-iris[ind==2, 5]
方法二、
ind<-sample(1:150,50)
iris_train<-iris[-ind,]
iris_test<-iris[ind,1:4]
iris_train<-iris[-ind,1:4]
train_label<-iris[-ind,5]
test_label<-iris[ind,5]
7、構建KNN模型
iris_pred<-knn(train=iris_train,test=iris_test,cl=train_label,k=3)
8、模型評價
交叉列聯表法
table（test_label,iris_pred)
實例二
數據集
http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/breast-cancer-wisconsin/wdbc.data
導入數據
dir <-'http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/breast-cancer-wisconsin/wdbc.data'wdbc.data <-read.csv(dir,header = F)
names(wdbc.data) <- c('ID','Diagnosis','radius_mean','texture_mean','perimeter_mean','area_mean','smoothness_mean','compactness_mean','concavity_mean','concave points_mean','symmetry_mean','fractal dimension_mean','radius_sd','texture_sd','perimeter_sd','area_sd','smoothness_sd','compactness_sd','concavity_sd','concave points_sd','symmetry_sd','fractal dimension_sd','radius_max_mean','texture_max_mean','perimeter_max_mean','area_max_mean','smoothness_max_mean','compactness_max_mean','concavity_max_mean','concave points_max_mean','symmetry_max_mean','fractal dimension_max_mean')
table(wdbc.data$Diagnosis)## M = malignant, B = benign
wdbc.data$Diagnosis <- factor(wdbc.data$Diagnosis,levels =c('B','M'),labels = c(B ='benign',M ='malignant'))
