《机器学习实战》chapter02 K-近邻算法（KNN）

2.2 示例：使用K-近邻算法改进约会网站的配结果

1. 收集数据：提供文本文件
2. 准备数据：使用Python解析文本文件（文本转numpy矩阵、归一化数据等）
3. 分析数据：使用Matplotlib画二维扩散图
4. 训练算法：此步骤不适用于k-紧邻算法
5. 测试算法：使用海伦提供的部分数据作为测试样本。测试样本和非测试样本的区别在于：测试样本是已经完成分类的数据，如果预测分类与实际类别不同，则标记为一个错误
6. 使用算法：产生简单的命令行程序，然后海伦可以输入一些特征数据以判断对方是否为自己喜欢的类型

1、数据：机器学习实战源码及数据集

密码：6irz

2、准备数据

# 将文本转换成Numpy矩阵
def fileToMatrix(filename):
    # 打开文件
    fr = open(filename)
    arrayOfLines = fr.readlines()
    numberOfLines = len(arrayOfLines)
    # 构建一个全零矩阵用来存储特征信息
    returnMat = zeros((numberOfLines, 3))
    # 构建一个标签数组用来存储特征对应的类别标签
    classLabelVector = []
    index = 0
    for line in arrayOfLines:
        line = line.strip()
        listFromLine = line.split('\t')
        # 复制特征信息
        returnMat[index, :] = listFromLine[0:3]
        # 复制类别标签
        classLabelVector.append(int(listFromLine[-1]))
        index += 1
    return returnMat, classLabelVector


# 归一化数据
def autoNorm(dataSet):
    # min(0)每一列中的最小值, min(1)每一行中的最小值
    minValues = dataSet.min(0)
    # max(0)每一列中的最大值
    maxValues = dataSet.max(0)
    # 取值范围
    ranges = maxValues - minValues
    # 初始化矩阵
    normDataSet = mat(zeros(shape(dataSet)))
    # print(normDataSet)
    # 返回dataset的行数
    m = dataSet.shape[0]
    normDataSet = dataSet - tile(minValues, (m, 1))
    normDataSet = normDataSet / tile(ranges, (m, 1))
    return normDataSet, ranges, minValues

3、分析数据

• 这里用到了上一部分的fileToMatrix函数进行数据转换
• matplotlib包

import matplotlib.pyplot as plt
from chapter2.KNN import *

datingDataMat, datingLabels = fileToMatrix("datingTestSet2.txt")


fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
ax.scatter(datingDataMat[:, 0], datingDataMat[:, 1], 15.0*array(datingLabels), 15.0*array(datingLabels))
plt.show()

可以自行设置横纵坐标轴表示的数据，即scatter()的前两个参数，如下

5、测试算法

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# !/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from chapter2.KNN import *


# 分类器针对约会网站分类
def datingClass():
    hoRatio = 0.10
    datingDataMat, datingLabels = fileToMatrix("datingTestSet2.txt")
    normMat, ranges, minValues = autoNorm(datingDataMat)
    m = normMat.shape[0]
    numTestVecs = int(m * hoRatio)
    errorCount = 0.0
    for i in range(numTestVecs):
        classifierResult = classfiy0(normMat[i, :], normMat[numTestVecs:m, :], datingLabels[numTestVecs:m], 3)
        print("the classifier came back with: %d, the real answer is: %d" % (classifierResult, datingLabels[i]))
        if(classifierResult != datingLabels[i]):
            errorCount += 1.0
    print("the total error rate is : %f" % (errorCount / float(numTestVecs)))
    
datingClass()

另外附上完整的KNN.py文件(Python3)

from numpy import *
import operator


# 构造分类器，用于分类的inX, 训练的样本集dataSet, 标签向量labels, 最近邻居数目k
def classfiy0(inX, dataSet, labels, k):
    # shape[0]返回行数, shape[1]返回列数
    dataSetSize = dataSet.shape[0]
    """1、把当前数据复制成训练集大小，以便同训练集中每一个数据比较"""
    # tile(A, n)将A数组重复n次, 这里是列数不变，行数变dataSetSize行
    # 跟dataset做差，即与每一个训练数据做差（求距离）
    diffMat = tile(inX, (dataSetSize, 1)) - dataSet
    # 分别对每一个数据平方
    sqdiffMat = diffMat**2
    # 将矩阵的每一行向量相加
    sqDistance = sqdiffMat.sum(axis=1)
    # 平方根
    distances = sqDistance**0.5
    """2、将比较结果排序"""
    # 返回从小到大排序后的索引值
    sortedDistIndicies = distances.argsort()
    """3、统计最近k个值的类别"""
    # 新建字典，保存最近的K个值分别是什么类别
    classCount = {}
    for i in range(k):
        # 获取第i个值的类别
        voteIlabel = labels[sortedDistIndicies[i]]
        # 统计每个得数目
        classCount[voteIlabel] = classCount.get(voteIlabel, 0) + 1
    """4、对统计结果拍序"""
    sortedClassCount = sorted(classCount.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
    """5、返回在这K个值中，出现次数最多的类别"""
    return sortedClassCount[0][0]


# 将文本转换成Numpy矩阵
def fileToMatrix(filename):
    # 打开文件
    fr = open(filename)
    arrayOfLines = fr.readlines()
    numberOfLines = len(arrayOfLines)
    # 构建一个全零矩阵用来存储特征信息
    returnMat = zeros((numberOfLines, 3))
    # 构建一个标签数组用来存储特征对应的类别标签
    classLabelVector = []
    index = 0
    for line in arrayOfLines:
        line = line.strip()
        listFromLine = line.split('\t')
        # 复制特征信息
        returnMat[index, :] = listFromLine[0:3]
        # 复制类别标签
        classLabelVector.append(int(listFromLine[-1]))
        index += 1
    return returnMat, classLabelVector


# 归一化数据
def autoNorm(dataSet):
    # min(0)每一列中的最小值, min(1)每一行中的最小值
    minValues = dataSet.min(0)
    # max(0)每一列中的最大值
    maxValues = dataSet.max(0)
    # 取值范围
    ranges = maxValues - minValues
    # 初始化矩阵
    normDataSet = mat(zeros(shape(dataSet)))
    # print(normDataSet)
    # 返回dataset的行数
    m = dataSet.shape[0]
    normDataSet = dataSet - tile(minValues, (m, 1))
    normDataSet = normDataSet / tile(ranges, (m, 1))
    return normDataSet, ranges, minValues

6、使用算法：输入特征数据以判断对方是否是自己喜欢的类型

# !/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from chapter2.KNN import *


def classifyPerson():
    resultList = ['not at all', 'in small doses', 'in large doses']
    percentTats = float(input("percentage of time spent playing video games?"))
    ffMiles = float(input("frequent flier miles earned per year?"))
    iceCream = float(input("liters of ice cream consumed per year?"))

    datingMat, datingLabels = fileToMatrix("datingTestSet2.txt")
    normMat, ranges, minValues = autoNorm(datingMat)
    inArry = [ffMiles, percentTats, iceCream]
    classifierResult = classfiy0(inArry, datingMat, datingLabels, 3)
    print("You will probably like this person: " + resultList[classifierResult - 1])


classifyPerson()

2.3 示例：手写识别系统

1、收集数据：见上

2、准备数据：编写imgToVector(), 将图像格式转换为分类器使用的向量格式

# 将二进制图像矩阵转换成一维数组
def imgToVector(filename):
    returnVect = zeros((1, 1024))
    # 打开文件
    fr = open(filename)
    for i in range(32):
        linestr = fr.readline()
        for j in range(32):
            returnVect[0, 32*i+j] = int(linestr[j])
    return returnVect

3、测试算法：编写函数使用提供的部分数据集作为测试样本，测试样本与非测试样本的区别在于测试样本是已经完成分类的数据，如果预测分类与实际类别不同，则标记为一个错误。

# !/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from os import listdir

from chapter2.KNN import *

# 将二进制图像矩阵转换成一维数组
def imgToVector(filename):
    returnVect = zeros((1, 1024))
    # 打开文件
    fr = open(filename)
    for i in range(32):
        linestr = fr.readline()
        for j in range(32):
            returnVect[0, 32*i+j] = int(linestr[j])
    return returnVect


# 手写数字识别
def handwritingClassTest():
    hwLabels = []
    # 训练数据集
    trainingFileList = listdir('trainingDigits')
    m = len(trainingFileList)
    trainingMat = zeros((m, 1024))
    for i in range(m):
        # 获取文件名
        fileNameStr = trainingFileList[i]
        filestr = fileNameStr.split('.')[0]
        classNumStr = int(filestr.split('_')[0])
        hwLabels.append(classNumStr)
        trainingMat[i, :] = imgToVector("trainingDigits/%s" % fileNameStr)

    # 测试数据集
    testFileList = listdir("testDigits")
    errorCount = 0.0
    mTest = len(testFileList)
    for i in range(mTest):
        fileNameStr = testFileList[i]
        filestr = fileNameStr.split('.')[0]
        classNumStr = int(filestr.split('_')[0])
        vectorUnderTest = imgToVector("trainingDigits/%s" % fileNameStr)
        classifierResult = classfiy0(vectorUnderTest, trainingMat, hwLabels, 3)
        print("the classifier came back with: %d, the real answer is : %d" % (classifierResult, classNumStr))
        if classifierResult != classNumStr:
            errorCount += 1.0
    print("the total number of errors is : %d" % errorCount)
    print("the total error rate is : %f" % (errorCount / float(mTest)))


handwritingClassTest()

个人问题及总结：

• 自己的测试结果与树上的测试结果不一样，有细微差距，不知道具体是什么原因
• KNN文件中归一化数据时(autoNorm(dataSet)）中在进行初始化矩阵时，Pycharm总提示变量未被使用，感觉是normDataSet指向了一个全零矩阵，然后normDataSet又指向了dataSet - tile(minValues, (m, 1))，初始化全零矩阵完全没有起到作用，感觉这可能是测试结果不一样的原因吧，希望了解的兄弟能告知一下该怎么处理