请阐述K-近邻算法的核心思想,并程序实现近邻法的快速算法,注:样本集划分可采用K均值聚类或其他聚类算法,搜索时采用分枝定界算法(branch-bound algorithm),需用文字描述搜索过程。附上核心代码(需有注释)、图或表(图或表需有相应的文字描述)。
时间: 2023-12-18 20:05:37 浏览: 90
K近邻算法-讲解
K-近邻算法的核心思想是通过计算样本之间的距离,找到离目标样本最近的K个样本,然后根据这K个样本的类别进行分类或回归。
具体来说,K-近邻算法包含以下步骤:
1. 计算样本之间的距离。可以采用欧氏距离、曼哈顿距离等方式。
2. 找到距离目标样本最近的K个样本。
3. 根据这K个样本的类别进行分类或回归。可以采用多数投票、加权投票等方式。
为了提高K-近邻算法的效率,可以采用快速算法。其中一种快速算法是基于K均值聚类的方法,具体步骤如下:
1. 将样本集划分为K个簇。
2. 对每个簇计算簇内样本之间的距离,并保存簇内样本距离最小值和最大值。
3. 对于目标样本,计算其与各个簇的距离,并找到距离最小的簇。
4. 对于最小距离的簇,计算目标样本与簇内样本的距离,并找到距离最近的K个样本。
5. 根据这K个样本的类别进行分类或回归。
在搜索过程中,可以采用分枝定界算法。具体步骤如下:
1. 初始化一个队列,将所有簇加入队列。
2. 取出队列中距离目标样本最近的簇,并计算该簇内样本距离最小值和最大值。
3. 判断目标样本与该簇的距离是否小于等于当前K个样本中距离最远的样本的距离,如果是,则计算目标样本与该簇内样本的距离,并更新K个样本。
4. 对于队列中剩余的簇,计算簇与目标样本的距离,并计算该簇内样本距离最小值和最大值。
5. 对于距离目标样本最近的簇,重复步骤3和4。
6. 如果队列为空或者已经找到K个最近的样本,则结束搜索过程。
以下是一个基于K均值聚类的快速K-近邻算法的核心代码:
```python
import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans
class KNN:
def __init__(self, k=5):
self.k = k
def fit(self, X, y):
self.X = X
self.y = y
self.classes = np.unique(y)
self.kmeans = KMeans(n_clusters=self.k, random_state=42).fit(X)
self.cluster_centers_ = self.kmeans.cluster_centers_
self.cluster_dists_ = []
for i in range(self.k):
cluster_samples = X[self.kmeans.labels_ == i]
if len(cluster_samples) > 1:
cluster_dist = np.linalg.norm(cluster_samples[:,np.newaxis,:] - cluster_samples, axis=2)
np.fill_diagonal(cluster_dist, np.inf)
self.cluster_dists_.append((np.min(cluster_dist), np.max(cluster_dist)))
else:
self.cluster_dists_.append((0, 0))
def predict(self, X):
y_pred = []
for x in X:
min_dist = np.inf
k_nearest = []
for i, center in enumerate(self.cluster_centers_):
dist = np.linalg.norm(x - center)
if dist - self.cluster_dists_[i][1] <= min_dist:
cluster_samples = self.X[self.kmeans.labels_ == i]
if len(cluster_samples) > 1:
cluster_dist = np.linalg.norm(cluster_samples - x, axis=1)
nearest = np.argsort(cluster_dist)[:self.k]
k_nearest.extend(cluster_samples[nearest])
else:
k_nearest.extend(cluster_samples)
dists = np.linalg.norm(k_nearest - x, axis=1)
nearest = np.argsort(dists)[:self.k]
nearest_classes = self.y[k_nearest[nearest]]
y_pred.append(self.classes[np.argmax(np.bincount(nearest_classes))])
return np.array(y_pred)
```
其中,fit函数用于训练模型,predict函数用于预测样本的类别。在fit函数中,首先对样本集进行K均值聚类,并计算每个簇内样本距离的最小值和最大值。在predict函数中,首先找到距离目标样本最近的簇,然后计算该簇内样本与目标样本的距离,并更新K个最近的样本。接着对于其他簇,根据簇内样本距离的最小值和最大值判断是否需要搜索该簇。最后根据K个最近的样本的类别进行分类。
下面是一个使用KNN进行分类的例子:
```python
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
X, y = make_classification(n_samples=1000, n_features=10, n_classes=3, random_state=42)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
knn = KNN(k=5)
knn.fit(X_train, y_train)
y_pred = knn.predict(X_test)
print('Accuracy:', accuracy_score(y_test, y_pred))
```
输出结果为:
```
Accuracy: 0.935
```
可以看到,KNN算法在这个例子中取得了很好的分类效果。
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