机器学习算法应用——K近邻分类器（KNN）

K近邻分类器（KNN）（4-2）

K近邻分类器（K-Nearest Neighbor，简称KNN）是一种基本的机器学习分类算法。它的工作原理是：在特征空间中，如果一个样本在特征空间中的K个最相邻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。

具体来说，KNN算法首先计算待分类样本与其他所有样本的距离，然后按照距离的递增关系进行排序，选取距离最小的K个样本，最后根据这K个样本的类别通过多数投票等方式进行预测。当K=1时，KNN算法又称为最近邻算法。

KNN算法的优点包括：

1. 思想简单，易于理解和实现。
2. 对数据分布没有假设，完全基于距离度量进行分类。
3. 适用范围广，可以用于多分类问题。

然而，KNN算法也存在一些缺点：

1. 对距离度量函数和K值的选择敏感，不同的距离度量函数和K值可能会产生不同的分类结果。
2. 计算量大，需要计算待分类样本与所有训练样本的距离。
3. 内存需求大，需要存储所有的训练样本。
4. 可解释性不强，无法给出决策边界等直观的解释。

KNN算法的应用场景非常广泛，包括但不限于：

1. 垃圾邮件识别：可以将邮件分为“垃圾邮件”或“正常邮件”两类。
2. 图像内容识别：由于图像的内容种类可能很多，因此这是一个多类分类问题。
3. 文本情感分析：既可以作为二分类问题（褒贬两种情感），也可以作为多类分类问题（如十分消极、消极、积极、十分积极等）。

此外，KNN算法还可以用于其他机器学习任务，如手写数字识别、鸢尾花分类等。在这些任务中，KNN算法都表现出了较好的性能。

1. 数据实例

ID	Age	Experience	Income	ZIP Code	Family	CCAvg	Education	Mortgage	Personal Loan	Securities Account	CD Account	Online	CreditCard
1	25	1	49	91107	4	1.6	1	0	0	1	0	0	0
2	45	19	34	90089	3	1.5	1	0	0	1	0	0	0
3	39	15	11	94720	1	1	1	0	0	0	0	0	0
4	35	9	100	94112	1	2.7	2	0	0	0	0	0	0
5	35	8	45	91330	4	1	2	0	0	0	0	0	1
6	37	13	29	92121	4	0.4	2	155	0	0	0	1	0
7	53	27	72	91711	2	1.5	2	0	0	0	0	1	0
8	50	24	22	93943	1	0.3	3	0	0	0	0	0	1
9	35	10	81	90089	3	0.6	2	104	0	0	0	1	0
10	34	9	180	93023	1	8.9	3	0	1	0	0	0	0
11	65	39	105	94710	4	2.4	3	0	0	0	0	0	0
12	29	5	45	90277	3	0.1	2	0	0	0	0	1	0
13	48	23	114	93106	2	3.8	3	0	0	1	0	0	0
14	59	32	40	94920	4	2.5	2	0	0	0	0	1	0
15	67	41	112	91741	1	2	1	0	0	1	0	0	0
16	60	30	22	95054	1	1.5	3	0	0	0	0	1	1
17	38	14	130	95010	4	4.7	3	134	1	0	0	0	0
18	42	18	81	94305	4	2.4	1	0	0	0	0	0	0
19	46	21	193	91604	2	8.1	3	0	1	0	0	0	0
20	55	28	21	94720	1	0.5	2	0	0	1	0	0	1
21	56	31	25	94015	4	0.9	2	111	0	0	0	1	0
22	57	27	63	90095	3	2	3	0	0	0	0	1	0
23	29	5	62	90277	1	1.2	1	260	0	0	0	1	0
24	44	18	43	91320	2	0.7	1	163	0	1	0	0	0
25	36	11	152	95521	2	3.9	1	159	0	0	0	0	1
26	43	19	29	94305	3	0.5	1	97	0	0	0	1	0
27	40	16	83	95064	4	0.2	3	0	0	0	0	0	0
28	46	20	158	90064	1	2.4	1	0	0	0	0	1	1
29	56	30	48	94539	1	2.2	3	0	0	0	0	1	1
30	38	13	119	94104	1	3.3	2	0	1	0	1	1	1
31	59	35	35	93106	1	1.2	3	122	0	0	0	1	0
32	40	16	29	94117	1	2	2	0	0	0	0	1	0
33	53	28	41	94801	2	0.6	3	193	0	0	0	0	0
34	30	6	18	91330	3	0.9	3	0	0	0	0	0	0
35	31	5	50	94035	4	1.8	3	0	0	0	0	1	0
36	48	24	81	92647	3	0.7	1	0	0	0	0	0	0
37	59	35	121	94720	1	2.9	1	0	0	0	0	0	1
38	51	25	71	95814	1	1.4	3	198	0	0	0	0	0
39	42	18	141	94114	3	5	3	0	1	1	1	1	0
40	38	13	80	94115	4	0.7	3	285	0	0	0	1	0
41	57	32	84	92672	3	1.6	3	0	0	1	0	0	0
42	34	9	60	94122	3	2.3	1	0	0	0	0	0	0
43	32	7	132	90019	4	1.1	2	412	1	0	0	1	0
44	39	15	45	95616	1	0.7	1	0	0	0	0	1	0
45	46	20	104	94065	1	5.7	1	0	0	0	0	1	1
46	57	31	52	94720	4	2.5	1	0	0	0	0	0	1
47	39	14	43	95014	3	0.7	2	153	0	0	0	1	0
48	37	12	194	91380	4	0.2	3	211	1	1	1	1	1
49	56	26	81	95747	2	4.5	3	0	0	0	0	0	1
50	40	16	49	92373	1	1.8	1	0	0	0	0	0	1
51	32	8	8	92093	4	0.7	2	0	0	1	0	1	0
52	61	37	131	94720	1	2.9	1	0	0	0	0	1	0
53	30	6	72	94005	1	0.1	1	207	0	0	0	0	0
54	50	26	190	90245	3	2.1	3	240	1	0	0	1	0
55	29	5	44	95819	1	0.2	3	0	0	0	0	1	0
56	41	17	139	94022	2	8	1	0	0	0	0	1	0
57	55	30	29	94005	3	0.1	2	0	0	1	1	1	0
58	56	31	131	95616	2	1.2	3	0	1	0	0	0	0
59	28	2	93	94065	2	0.2	1	0	0	0	0	0	0
60	31	5	188	91320	2	4.5	1	455	0	0	0	0	0
61	49	24	39	90404	3	1.7	2	0	0	1	0	1	0
62	47	21	125	93407	1	5.7	1	112	0	1	0	0	0
63	42	18	22	90089	1	1	1	0	0	0	0	0	0
64	42	17	32	94523	4	0	2	0	0	0	0	1	0
65	47	23	105	90024	2	3.3	1	0	0	0	0	0	0
66	59	35	131	91360	1	3.8	1	0	0	0	0	1	1
67	62	36	105	95670	2	2.8	1	336	0	0	0	0	0
68	53	23	45	95123	4	2	3	132	0	1	0	0	0
69	47	21	60	93407	3	2.1	1	0	0	0	0	1	1
70	53	29	20	90045	4	0.2	1	0	0	0	0	1	0
71	42	18	115	91335	1	3.5	1	0	0	0	0	0	1
72	53	29	69	93907	4	1	2	0	0	0	0	1	0
73	44	20	130	92007	1	5	1	0	0	0	0	0	1
74	41	16	85	94606	1	4	3	0	0	0	0	1	1
75	28	3	135	94611	2	3.3	1	0	0	0	0	0	1
76	31	7	135	94901	4	3.8	2	0	1	0	1	1	1

使用第1题中的Universal Bank数据集。

注意：数据集中的编号（ID）和邮政编码（ZIP CODE）特征因为在分类模型中无意义，所以在数据预处理阶段将它们删除。

1. 使用KNN对数据进行分类

1. 使用留出法划分数据集，训练集:测试集为7:3。

# 使用留出法划分数据集，训练集:测试集为7:3
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)

1. 使用KNN对训练集进行训练

# 使用KNN算法对训练集进行训练，最近邻的数量K设置为5
model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
model.fit(X_train, y_train)

最近邻的数量K设置为5。

1. 使用训练好的模型对测试集进行预测并输出预测结果和模型准确度

# 使用训练好的模型对测试集进行预测
y_pred = model.predict(X_test)# 输出预测结果
for item in y_pred:print(item, end='\n')  # 每项后面都换行，这样就不会合并在一起
print("预测结果:")
print(y_pred)# 输出模型准确度
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print("模型准确度:", accuracy)

 完整代码：

# 导入所需的库
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
import pprint# 禁用输出省略
pd.set_option('display.max_rows', None)
pd.set_option('display.max_columns', None)
pd.set_option('display.width', None)
pd.set_option('display.max_colwidth', None)# 读取数据集
data = pd.read_csv("universalbank.csv")# 数据预处理：删除无意义特征
data = data.drop(columns=['ID', 'ZIP Code'])# 划分特征和标签
X = data.drop(columns=['Personal Loan'])
y = data['Personal Loan']# 使用留出法划分数据集，训练集:测试集为7:3
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)# 使用KNN算法对训练集进行训练，最近邻的数量K设置为5
model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
model.fit(X_train, y_train)# 使用训练好的模型对测试集进行预测
y_pred = model.predict(X_test)# 输出预测结果
for item in y_pred:print(item, end='\n')  # 每项后面都换行，这样就不会合并在一起
print("预测结果:")
print(y_pred)# 输出模型准确度
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print("模型准确度:", accuracy)