数据分析实战 | KNN算法——病例自动诊断分析

目录

一、数据及分析对象

二、目的及分析任务

三、方法及工具

四、数据读入

五、数据理解

六、数据准备

七、模型训练

八、模型评价

九、模型调参

十、模型改进

十一、模型预测

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一、数据及分析对象

CSV文件——“bc_data.csv”

数据集链接：https://download.csdn.net/download/m0_70452407/88524905

该数据集主要记录了569个病例的32个属性，主要属性/字段如下：

（1）ID：病例的ID。

（2）Diagnosis（诊断结果）：M为恶性，B为良性。该数据集共包含357个良性病例和212个恶性病例。

（3）细胞核的10个特征值，包括radius（半径）、texture（纹理）、perimeter（周长）、面积（area）、平滑度（smoothness）、紧凑度（compactness）、凹面（concavity）、凹点（concave points）、对称性（symmetry）和分形维数（fractal dimension）等。同时，为上述10个特征值分别提供了3种统计量，分别为均值（mean）、标准差（standard error）和最大值（worst or largest）。

二、目的及分析任务

理解机器学习方法在数据分析中的应用——KNN方法进行分类分析。

（1）样本为训练集进行有监督学习，并预测——“诊断结果（diagnosis）”。

（2）以剩余记录为测试集，进行KNN建模。

（3）按KNN模型预测测试集的dignosis类型。

（4）按KNN模型给出的diagnosis“预测类型”与数据集bc_data.csv自带的“实际类型”进行对比分析，验证KNN建模的有效性。

三、方法及工具

Python语言及scikit-learn包

四、数据读入

import pandas as pd
bc_data=pd.read_csv("D:\\Download\\JDK\\数据分析理论与实践by朝乐门_机械工业出版社\\第4章 分类分析\\bc_data.csv",header=0)
bc_data.head()

五、数据理解

对数据框bc_data进行探索性分析，这里采用的实现方法为调用pandas包中数据框（DataFrame）的describe()方法。

bc_data.describe()

除了describe()方法，还可以调用shape属性和pandas_profiling包对数据框进行探索性分析。

bc_data.shape

(569, 32)

六、数据准备

在数据框bc_data中，对于乳腺癌诊断分析有用的数据为细胞核的10个特征值，为了将该数据值提取出来，需要在数据框bc_data的基础上删除列名为“id”和“diagnosis”的数据，删除后的数据框命名为“data”，实现方式为调用数据框的drop()方法，并使用该包的head()方法观察数据情况。

data=bc_data.drop(['id'],axis=1)
X_data=data.drop(['diagnosis'],axis=1)
X_data.head()

 接着，调用NumPy的ravel()方法对数据框data中命名为“diagnosis”的列信息以视图形式（view）返回，并以一维数组形式输出。

import numpy as np
y_data=np.ravel(data[['diagnosis']])
y_data[0:6]

array(['M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M'], dtype=object)

为了实现基于KNN算法乳腺癌自动诊断的目标，先将data数据框信息随机分为训练集和测试集两部分。采用的实现方式为调用scikit-learn包中model_selection模块的train_test_split()方法，设定训练集数据容量占总数居的75%，剩下的为测试集数据，调用pandas包中数据框（DataFrame）的describe()方法。

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_trainingSet,X_testSet,y_trainingSet,y_testSet=train_test_split(X_data,y_data,random_state=1,test_size=0.25)
X_trainingSet.describe()

 除了describe()方法，还可以调用shape属性和pandas_profiling包对数据框进行探索性分析。

X_trainingSet.shape

(426, 30)

 同时，对测试集数据框也对其做相同的处理。

X_testSet.describe()

X_testSet.shape

(143, 30)

对训练集数据进行“学习训练”后，自动获取它的均值和方差，再分别对训练集和测试集进行“归一化”处理。采用的实现方式为调用scikit-learn包中的preprocessing模块的StandardScaler()方法。其中，训练集数据的归一化处理如下：

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
means_normalization=StandardScaler()   #均值归一化处理
means_normalization.fit(X_trainingSet)   #进行训练集的“诊断学习”，得到均值和方差
X_train_normalization=means_normalization.transform(X_trainingSet)

X_train_normalization

array([[ 0.30575375,  2.59521918,  0.46246107, ...,  1.81549702,2.10164609,  3.38609913],[ 0.23351721, -0.05334893,  0.20573083, ...,  0.5143837 ,0.14721854,  0.05182385],[ 0.15572401,  0.18345881,  0.11343692, ...,  0.69446859,0.263409  , -0.10011179],...,[ 0.85586279,  1.19276558,  0.89773369, ...,  1.12967374,0.75591781,  2.97065009],[-0.02486734,  0.44095848, -0.08606303, ..., -0.52515632,-1.1291423 , -0.45561747],[-0.30270019, -0.20968802, -0.37543871, ..., -0.967865  ,-1.54361274, -1.31500348]])

对测试集数据也采用相同的方式进行归一化处理。

X_test_normalization=means_normalization.transform(X_testSet)
X_test_normalization

array([[ 0.15850234, -1.23049032,  0.25369143, ..., -0.05738582,-0.08689656,  0.48863884],[-0.2638036 , -0.15450952, -0.23961754, ...,  1.41330744,1.77388495,  2.02105229],[-0.32492682, -0.76147305, -0.35407811, ..., -0.1354226 ,0.87210827,  0.71179432],...,[ 0.25852216, -0.06024625,  0.21500053, ..., -0.03937733,-1.03202789, -0.84910706],[ 1.46709506,  0.95825694,  1.49824869, ...,  0.62693676,0.07438274, -0.45739797],[-0.61942964,  0.42256565, -0.6261235 , ..., -0.48013509,0.34318156, -0.6134881 ]])

七、模型训练

训练集进行学习概念“诊断结果”，利用测试集进行KNN建模。通过对训练和测试数据进行适当的处理后，接下来进行模型参数的确定。KNN模型类别有暴力法、KD树和球树。暴力法适用于数据较少的形式，而KD树在较多的数据中更有优势，考虑到算法效率问题，结合本项目中数据框的数据量，选择KD树进行建模，首先取得KNN分类器，并使用内置参数调整KNN三要素。

这里采用的模型训练实现方式为scikit-learn包中的neighbors模块的KNeighborsClassifier()方法，其中对于设置的各项参数解释如下：

（1）algorithm表示快速k近邻搜索算法，这里确定的算法模型为KD树。

（2）leaf_size是构造KD树的大小，默认为30。

（3）metric用于距离度量，默认度量是minkowski。

（4）metric_params表示距离公式的其他关键参数，并不是很重要，使用默认的None。

（5）n_jobs是并行处理设置，使用默认的None。

（6）n_neighbors表示初始设定的近邻树，即KNN算法中的k值。

（7）p代表距离度量公式，其中1为哈曼顿距离公式，2为欧氏距离公式，这里使用欧氏距离公式进行距离度量，将p值设置为2。

（8）weights表权重，默认为uniform（均等权重）。

接着，利用训练函数fit()和预测函数predict()实现对训练集已知数据和测试集数据的对比输出。

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
myModel=KNeighborsClassifier(algorithm="kd_tree",leaf_size=30,metric="minkowski",metric_params=None,n_jobs=None,n_neighbors=5,p=2,weights="uniform")
myModel.fit(X_trainingSet,y_trainingSet)
y_predictSet=myModel.predict(X_testSet)

 fit()函数数据训练结果如下：

y_testSet

array(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B','B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M','B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'],dtype=object)

 用predict()函数进行预测的结果如下：

y_predictSet

array(['M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'],dtype=object)

最后，使用get_params()方法实现对模型各参数的查询：

myModel.get_params()

{'algorithm': 'kd_tree','leaf_size': 30,'metric': 'minkowski','metric_params': None,'n_jobs': None,'n_neighbors': 5,'p': 2,'weights': 'uniform'}

由上述输出结果可以看出，使用get_params()方法查询参数是以字典结构的形式展现，并且可以看到参数结果与之前设置保持一致。

八、模型评价

为了评价所建立模型的性能，采用“预测准确率（Accuracy Score）”参数，具体实现方式是调用scikit-learn包的metrics模块的accuracy_score()方法。

from sklearn.metrics import accuracy_score
accuracy_score(y_testSet,y_predictSet)

0.9370629370629371

 通过结果输出可知，模型预测结果的准确率约为93.71%，可以考虑尝试进一步优化。

九、模型调参

通过前面分析可知，k值的大小对模型预测结果会产生很多的影响。为此，接下来利用准确率函数score()来实现k值范围在1~22的准确率值计算。

import matplotlib.pyplot as plt
NumberOfNeighbors=range(1,23)
KNNs=[KNeighborsClassifier(n_neighbors=i) for i in NumberOfNeighbors]
range(len(KNNs))
scores=[KNNs[i].fit(X_trainingSet,y_trainingSet).score(X_testSet,y_testSet) for i in range(0,22)]
plt.plot(NumberOfNeighbors,scores)
plt.title("Elbow Curve")
plt.xlabel("Number of Neighbors")
plt.ylabel("Score")

通过图标信息可以看到，当k的值（即n_neighbors）为4时，模型预测得分最高，因此接下来对模型参数进行改进。

十、模型改进

myModel_prove=KNeighborsClassifier(algorithm="kd_tree",leaf_size=30,metric="minkowski",metric_params=None,n_jobs=None,n_neighbors=4,p=2,weights="uniform")
myModel_prove.fit(X_trainingSet,y_trainingSet)
y_predictSet=myModel_prove.predict(X_testSet)

十一、模型预测

 fit()函数数据训练结果如下：

y_predictSet

array(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'],dtype=object)

 用predict()函数进行预测的结果如下：

y_predictSet

array(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B','B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B','M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B','B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M','B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'],dtype=object)

为了评价所建立模型的性能，采用“预测准确率（Accuracy Score）”参数，具体实现方式是调用scikit-learn包的metrics模块的accuracy_score()方法。

accuracy_score(y_testSet,y_predictSet)

0.9440559440559441

从输出结果可以看出，模型的预测准确率提高了，说明对模型进行了优化。