"Don't envy what people have, emulate what they did to have it.
—— Tim Fargo
"
K Nearest Neighbor 算法又叫 KNN 算法，此算法最早是由 Cover 和 Hart 提出的一种分类算法，是机器学习里面一个经典之作， 总体来说 KNN 算法是相对比较容易理解的。更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
1.算法简介
1.1 概念
如果一个样本在特征空间中的 k 个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。
实现流程：
1）计算已知类别数据集中的点与当前点之间的距离
2）按距离递增次序排序
3）选取与当前点距离最小的 k 个点
4）统计前 k 个点所在的类别出现的频率
5）返回前 k 个点出现频率最高的类别作为当前点的预测分类
1.2 欧式距离
两个样本的距离可以通过如下公式计算，又叫欧式距离 。
1.3 示例
假设我们现在有几部电影
其中 ? 号电影不知道类别，如何去预测？我们可以利用K近邻算法的思想
分别计算每个电影和被预测电影的距离，然后求解
2.KNN api 初步使用
2.1 Scikit-learn工具介绍
•Python 语言的机器学习工具•Scikit-learn 包括许多知名的机器学习算法的实现•Scikit-learn 文档完善，容易上手，丰富的 API•目前稳定版本0.19.1更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
2.2 安装
pip3 install scikit-learn==0.19.1
安装好之后可以通过以下命令查看是否安装成功
import sklearn
注：安装 scikit-learn 需要 Numpy,Scipy 等库。
2.3 包含内容
•分类、聚类、回归•特征工程•模型选择、调优
2.4 KNN 算法 api
sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
n_neighbors：int,可选（默认= 5），k_neighbors 查询默认使用的邻居数
2.5 示例
2.5.1 步骤分析
1.获取数据集
2.数据基本处理（该案例中省略）
3.特征工程（该案例中省略）
4.机器学习
5.模型评估（该案例中省略）
2.5.2 实现
# 导入模块
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
# 构造数据集
x = [[0], [1], [2], [3]]
y = [0, 0, 1, 1]
# 机器学习 -- 模型训练
# 实例化API
estimator = KNeighborsClassifier(n_neighbors=2)
# 使用fit方法进行训练
estimator.fit(x, y)
estimator.predict([[1]])
3.距离度量
3.1 欧式距离(Euclidean Distance)
欧氏距离是最容易直观理解的距离度量方法，我们小学、初中和高中接触到的两个点在空间中的距离一般都是指欧氏距离。更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
举例:
X=[[1,1],[2,2],[3,3],[4,4]];
经计算得:
d = 1.4142 2.8284 4.2426 1.4142 2.8284 1.4142
3.2 曼哈顿距离(Manhattan Distance)
在曼哈顿街区要从一个十字路口开车到另一个十字路口，驾驶距离显然不是两点间的直线距离。这个实际驾驶距离就是「曼哈顿距离」。曼哈顿距离也称为「城市街区距离」(City Block distance)。
举例:
X=[[1,1],[2,2],[3,3],[4,4]];
经计算得:
d = 2 4 6 2 4 2
3.3 切比雪夫距离 (Chebyshev Distance)
国际象棋中，国王可以直行、横行、斜行，所以国王走一步可以移动到相邻8个方格中的任意一个。国王从格子(x1,y1)走到格子(x2,y2)最少需要多少步？这个距离就叫切比雪夫距离。更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
举例:
X=[[1,1],[2,2],[3,3],[4,4]];
经计算得:
d = 1 2 3 1 2 1
3.4 闵可夫斯基距离(Minkowski Distance)
闵氏距离不是一种距离，而是一组距离的定义，是对多个距离度量公式的概括性的表述。
两个n维变量a(x11,x12,…,x1n)与b(x21,x22,…,x2n)间的闵可夫斯基距离定义为：
其中p是一个变参数：
当p=1时，就是曼哈顿距离；
当p=2时，就是欧氏距离；
当p→∞时，就是切比雪夫距离。
根据p的不同，闵氏距离可以表示某一 类/种 的距离。
小结：
1.闵氏距离，包括曼哈顿距离、欧氏距离和切比雪夫距离都存在明显的缺点:
比如：二维样本(身高[单位:cm],体重[单位:kg]),现有三个样本：a(180,50)，b(190,50)，c(180,60)。
a与b的闵氏距离（无论是曼哈顿距离、欧氏距离或切比雪夫距离）等于a与c的闵氏距离。但实际上身高的10cm并不能和体重的10kg划等号。
2.闵氏距离的缺点：
(1)将各个分量的量纲(scale)，也就是“单位”相同的看待了;
(2)未考虑各个分量的分布（期望，方差等）可能是不同的。
3.5 标准化欧氏距离 (Standardized EuclideanDistance)
标准化欧氏距离是针对欧氏距离的缺点而作的一种改进。
思路：既然数据各维分量的分布不一样，那先将各个分量都「标准化」到均值、方差相等。假设样本集X的均值(mean)为m，标准差(standard deviation)为s，X的「标准化变量」表示为：
如果将方差的倒数看成一个权重，也可称之为加权欧氏距离(Weighted Euclidean distance)。
举例:
X=[[1,1],[2,2],[3,3],[4,4]];（假设两个分量的标准差分别为0.5和1）
经计算得:
d = 2.2361 4.4721 6.7082 2.2361 4.4721 2.2361
3.6 余弦距离(Cosine Distance)
几何中，夹角余弦可用来衡量两个向量方向的差异；机器学习中，借用这一概念来衡量样本向量之间的差异。
•二维空间中向量A(x1,y1)与向量B(x2,y2)的夹角余弦公式：
•两个n维样本点a(x11,x12,…,x1n)和b(x21,x22,…,x2n)的夹角余弦为：
即：
夹角余弦取值范围为[-1,1]。余弦越大表示两个向量的夹角越小，余弦越小表示两向量的夹角越大。当两个向量的方向重合时余弦取最大值1，当两个向量的方向完全相反余弦取最小值-1。更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
举例:
X=[[1,1],[1,2],[2,5],[1,-4]]
经计算得:
d = 0.9487 0.9191 -0.5145 0.9965 -0.7593 -0.8107
3.7 汉明距离(Hamming Distance)【了解】
两个等长字符串s1与s2的汉明距离为：将其中一个变为另外一个所需要作的最小字符替换次数。
另外还有一些距离，但是并不需要详细学习：杰卡德距离(Jaccard Distance)、马氏距离(Mahalanobis Distance)
4.k 值的选择
K值过小：
容易受到异常点的影响
k值过大：
受到样本均衡的问题
K值选择问题，李航博士的「统计学习方法」一书中所说：
1) 选择较小的K值，就相当于用较小的领域中的训练实例进行预测，「学习」近似误差会减小，只有与输入实例较近或相似的训练实例才会对预测结果起作用，与此同时带来的问题是「学习」的估计误差会增大，换句话说，K值的减小就意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合；
2) 选择较大的K值，就相当于用较大领域中的训练实例进行预测，其优点是可以减少学习的估计误差，但缺点是学习的近似误差会增大。这时候，与输入实例较远（不相似的）训练实例也会对预测器作用，使预测发生错误，且K值的增大就意味着整体的模型变得简单。
3) K=N（N为训练样本个数），则完全不足取，因为此时无论输入实例是什么，都只是简单的预测它属于在训练实例中最多的类，模型过于简单，忽略了训练实例中大量有用信息。
在实际应用中，K值一般取一个比较小的数值，例如采用交叉验证法（简单来说，就是把训练数据在分成两组:训练集和验证集）来选择最优的K值。对这个简单的分类器进行泛化，用核方法把这个线性模型扩展到非线性的情况，具体方法是把低维数据集映射到高维特征空间。
近似误差：对现有训练集的训练误差，关注训练集，如果近似误差过小可能会出现过拟合的现象，对现有的训练集能有很好的预测，但是对未知的测试样本将会出现较大偏差的预测。模型本身不是最接近最佳模型。
估计误差：可以理解为对测试集的测试误差，关注测试集，估计误差小说明对未知数据的预测能力好，模型本身最接近最佳模型。更多精彩文章请关注公众号『Pythonnote』或者『全栈技术精选』
