机器学习3

KNN算法分类

K-近邻算法（K-Nearest Neighbors，简称KNN）,根据K个邻居样本的类别来判断当前样本的类别;如果一个样本在特征空间中的k个最相似(最邻近)样本中的大多数属于某个类别，则该类本也属于这个类别

欧氏距离和曼哈顿距离：

缺点：

对于大规模数据集，计算量大，因为需要计算测试样本与所有训练样本的距离。对于高维数据，距离度量可能变得不那么有意义，这就是所谓的“维度灾难”。需要选择合适的k值和距离度量，这可能需要一些实验和调整。

API：

class sklearn.neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=5, algorithm='auto'）
参数:
(1)n_neighbors:
       int, default=5, 默认情况下用于kneighbors查询的近邻数，就是K
(2)algorithm:
   {‘auto’, ‘ball_tree’, ‘kd_tree’, ‘brute’}, default=’auto’。找到近邻的方式，注意不是计算距离       的方式，与机器学习算法没有什么关系，开发中请使用默认值'auto'
方法:
(1) fit(x， y)
使用X作为训练数据和y作为目标数据
(2) predict(X)   预测提供的数据，得到预测数据

# 用KNN算法对鸢尾花进行分类
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier# 1）获取数据
iris = load_iris()
# 只有4个特征, 150个样本
print(iris.data.shape) #(150,4)
# 4个特征的描述 ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']
print(iris.feature_names)
# 150个目标，对应150个样本的类别
print(iris.target.shape) #(150,)
# 目标值只有0 1 2这三种值，说明150个样本属于三类中的其中一种
print(iris.target) #[0 0 0...1 1 1 ...2 2 2]
# 目标值三种值代表的三种类型的描述。
print(iris.target_names) #['setosa' 'versicolor' 'virginica']
# 2）划分数据集
# x_train训练特征，y_train训练目标， x_test测试特征，y_test测试目标
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, random_state=22)
# print(x_train.shape, x_test.shape, y_train.shape, y_test.shape) #(112, 4) (38, 4) (112,) (38,)
# 3）特征工程：标准化, 只有4个特征
transfer = StandardScaler()
# 对训练特征做标准化, 对测试特征做相同的标准化，因为fit_transform中已经有fit进行计算了，所以对x_test只需要做transform了
# 训练用的什么数据，模式就只能识别什么样的数据。
x_train = transfer.fit_transform(x_train)
x_test = transfer.transform(x_test)
# 4）KNN算法预估器, k=7表示找7个邻近来判断自身类型. 
estimator = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)
estimator.fit(x_train, y_train)#该步骤就是estimator根据训练特征和训练目标在自己学习，让它自己变聪敏
# 5）模型评估  测试一下聪敏的estimator能力
# 方法1：直接比对真实值和预测值， 
y_predict = estimator.predict(x_test) #y_predict预测的目标结果
print("y_predict:\n", y_predict)
print("直接比对真实值和预测值:\n", y_test == y_predict)
# 方法2：计算准确率, 
score = estimator.score(x_test, y_test)
print("准确率为：\n", score) #0.9473684210526315输出：
(150, 4)
['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']
(150,)
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2]
['setosa' 'versicolor' 'virginica']
y_predict:[0 2 1 2 1 1 1 1 1 0 2 1 2 2 0 2 1 1 1 1 0 2 0 1 2 0 2 2 2 2 0 0 1 1 1 0 00]
直接比对真实值和预测值:[ True  True  True  True  True  True  True False  True  True  True  TrueTrue  True  True  True  True  True False  True  True  True  True  TrueTrue  True  True  True  True  True  True  True  True  True  True  TrueTrue  True]
准确率为：0.9473684210526315

模型保存和加载：

import joblib
# 保存模型
joblib.dump(estimator, "my_ridge.pkl")
# 加载模型
estimator = joblib.load("my_ridge.pkl")
#使用模型预测
y_test=estimator.predict([[0.4,0.2,0.4,0.7]])
print(y_test)

模型的选择和调优：

保留交叉验证HoldOut：

在这种交叉验证技术中，整个数据集被随机地划分为训练集和验证集。根据经验法则，整个数据集的近70%被用作训练集，其余30%被用作验证集。也就是我们最常使用的，直接划分数据集的方法。

优点：很简单很容易执行。

缺点1：不适用于不平衡的数据集。假设我们有一个不平衡的数据集，有0类和1类。假设80%的数据属于 “0 “类，其余20%的数据属于 “1 “类。这种情况下，训练集的大小为80%，测试数据的大小为数据集的20%。可能发生的情况是，所有80%的 “0 “类数据都在训练集中，而所有 “1 “类数据都在测试集中。因此，我们的模型将不能很好地概括我们的测试数据，因为它之前没有见过 “1 “类的数据。

缺点2：一大块数据被剥夺了训练模型的机会。

K-折交叉验证：

K-Fold交叉验证技术中，整个数据集被划分为K个大小相同的部分。每个分区被称为一个”Fold”。所以我们有K个部分，我们称之为K-Fold。一个Fold被用作验证集，其余的K-1个Fold被用作训练集。

该技术重复K次，直到每个Fold都被用作验证集，其余的作为训练集。

模型的最终准确度是通过取k个模型验证数据的平均准确度来计算的。

分层K-折交叉验证：

K-折交叉验证的变种，分层的意思是说在每一折中都保持着原始数据中各个类别的比例关系，比如说：原始数据有3类，比例为1:2:1，采用3折分层交叉验证，那么划分的3折中，每一折中的数据类别保持着1:2:1的比例。

API：

from sklearn.model_selection import StratifiedKFold

说明:普通K折交叉验证和分层K折交叉验证的使用是一样的只是引入的类不同

from sklearn.model_selection import KFold

使用时只是KFold这个类名不一样其他代码完全一样

strat_k_fold=sklearn.model_selection.StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)

n_splits划分为几个折叠

shuffle是否在拆分之前被打乱(随机化),False则按照顺序拆分

random_state随机因子

indexs=strat_k_fold.split(X,y)

返回一个可迭代对象,一共有5个折叠,每个折叠对应的是训练集和测试集的下标

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
# 加载数据
iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
# 初始化分层k-折交叉验证器
#n_splits划分为几个折叠 
#shuffle是否在拆分之前被打乱(随机化),False则按照顺序拆分
#random_state随机因子
strat_k_fold = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)
# 创建一个K近邻分类器实例
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)
# 进行交叉验证
accuracies = []
for train_index, test_index in strat_k_fold.split(X, y):print(train_index, test_index)X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]# 数据预处理（标准化）scaler = StandardScaler()X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)X_test_scaled = scaler.transform(X_test)# 使用K近邻分类器进行训练knn.fit(X_train_scaled, y_train)# 输出每次折叠的准确性得分score = knn.score(X_test,y_test)print(score)accuracies.append(score)#把分数添加到外面列表中
print(sum(accuracies)/len(accuracies))#平均得分

超参数搜索：

超参数搜索也叫网格搜索(Grid Search)

比如在KNN算法中，k是一个可以人为设置的参数，所以就是一个超参数。网格搜索能自动的帮助我们找到最好的超参数值。

API：

class sklearn.model_selection.GridSearchCV(estimator, param_grid)

说明：
同时进行交叉验证(CV)、和网格搜索(GridSearch)，GridSearchCV实际上也是一个估计器(estimator)，同时它有几个重要属性：
best_params_ 最佳参数
best_score_ 在训练集中的准确率
best_estimator_ 最佳估计器
cv_results_ 交叉验证过程描述
best_index_最佳k在列表中的下标
参数：
   estimator： scikit-learn估计器实例
   param_grid:以参数名称（str）作为键，将参数设置列表尝试作为值的字典
       示例： {"n_neighbors": [1, 3, 5, 7, 9, 11]}
cv: 确定交叉验证切分策略,值为:
(1)None 默认5折
(2)integer 设置多少折
如果估计器是分类器，使用"分层k-折交叉验证(StratifiedKFold)"。在所有其他情况下，使用KFold。

# 用KNN算法对鸢尾花进行分类，添加网格搜索和交叉验证
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
def knn_iris_gscv():# 1）获取数据iris = load_iris()# 2）划分数据集x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, random_state=22)# 3）特征工程：标准化transfer = StandardScaler()x_train = transfer.fit_transform(x_train)x_test = transfer.transform(x_test)# 4）KNN算法预估器, 这里就不传参数n_neighbors了，交给GridSearchCV来传递estimator = KNeighborsClassifier()# 加入网格搜索与交叉验证, GridSearchCV会让k分别等于1,2,5,7,9,11进行网格搜索偿试。cv=10表示进行10次交叉验证estimator = GridSearchCV(estimator, param_grid={"n_neighbors": [1, 3, 5, 7, 9, 11]}, cv=10)estimator.fit(x_train, y_train)# 5）模型评估# 方法1：直接比对真实值和预测值y_predict = estimator.predict(x_test)print("y_predict:\n", y_predict)print("直接比对真实值和预测值:\n", y_test == y_predict)# 方法2：计算准确率score = estimator.score(x_test, y_test)print("在测试集中的准确率为：\n", score)  #0.9736842105263158# 最佳参数：best_params_print("最佳参数：\n", estimator.best_params_) #{'n_neighbors': 3}， 说明k=3时最好# 最佳结果：best_score_print("在训练集中的准确率：\n", estimator.best_score_)  #0.9553030303030303# 最佳估计器：best_estimator_print("最佳估计器:\n", estimator.best_estimator_) # KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)# 交叉验证结果：cv_results_print("交叉验证过程描述:\n", estimator.cv_results_)#最佳参数组合的索引:最佳k在列表中的下标print("最佳参数组合的索引:\n",estimator.best_index_)#通常情况下，直接使用best_params_更为方便return None
knn_iris_gscv()

朴素贝叶斯分类：

假设现在我们有一个数据集，它由两类数据组成，数据分布如下图所示：

我们现在用p1(x,y)表示数据点(x,y)属于类别1(图中红色圆点表示的类别)的概率，用p2(x,y)表示数据点(x,y)属于类别2(图中蓝色三角形表示的类别)的概率，那么对于一个新数据点(x,y)，可以用下面的规则来判断它的类别：

如果p1(x,y)>p2(x,y)，那么类别为1
如果p1(x,y)<p2(x,y)，那么类别为2

也就是说，我们会选择高概率对应的类别。这就是贝叶斯决策理论的核心思想，即选择具有最高概率的决策。

贝叶斯推断：

我们把P(A)称为"先验概率"（Prior probability），即在B事件发生之前，我们对A事件概率的一个判断。

P(A|B)称为"后验概率"（Posterior probability），即在B事件发生之后，我们对A事件概率的重新评估。

P(B|A)/P(B)称为"可能性函数"（Likelyhood），这是一个调整因子，使得预估概率更接近真实概率。

朴素贝叶斯推断：

贝叶斯和朴素贝叶斯的概念是不同的，区别就在于“朴素”二字，朴素贝叶斯对条件概率分布做了条件独立性的假设。

$P(a|X) = \frac{P(x_1|a)P(x_2|a)...P(x_n|a)P(a)}{P(X)}$

拉普拉斯平滑系数：

某些事件或特征可能从未出现过，这会导致它们的概率被估计为零。然而，在实际应用中，即使某个事件或特征没有出现在训练集中，也不能完全排除它在未来样本中出现的可能性。拉普拉斯平滑技术可以避免这种“零概率陷阱”公式为：

一般α取值1，m的值为总特征数量

通过这种方法，即使某个特征在训练集中从未出现过，它的概率也不会被估计为零，而是会被赋予一个很小但非零的值，从而避免了模型在面对新数据时可能出现的过拟合或预测错误

API：

sklearn.naive_bayes.MultinomialNB()
estimator.fit(x_train, y_train)
y_predict = estimator.predict(x_test)

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB
# 1）获取数据
news =load_iris()
# 2）划分数据集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(news.data, news.target)
# 3）特征工程：不用做标准化
# 4）朴素贝叶斯算法预估器流程
estimator = MultinomialNB()
estimator.fit(x_train, y_train)
# 5）模型评估
score = estimator.score(x_test, y_test)
print("准确率为：\n", score)
# 6）预测
index=estimator.predict([[2,2,3,1]])
print("预测:\n",index,news.target_names,news.target_names[index])