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实验一：鸢尾花数据集分类

一、问题描述

利用机器学习算法构建模型，根据鸢尾花的花萼和花瓣大小，区分鸢尾花的品种。实现一个基础的三分类问题。

二、数据集分析

• Iris 鸢尾花数据集内包含 3 种类别，分别为山鸢尾（Iris-setosa）、变色鸢尾（Iris-versicolor）和维吉尼亚鸢尾（Iris-virginica）。
• 数据集共 150 条记录，每类各 50 个数据，每条记录有花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度4项特征，通过这4个特征预测鸢尾花卉属于哪一品种。
• iris数据集包含在sklearn库当中，具体在sklearn\datasets\data文件夹下，文件名为iris.csv。
• 通常数据文件存储在\Python36\Lib\site-packages\sklearn\datasets\data\iris.csv。
• 打开iris.csv，数据格式如下：
• 
• 第一行数据意义为：
  150：数据集中数据的总条数
  4：特征值的类别数，即花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度。
  setosa、versicolor、virginica：三种鸢尾花名
• 从第二行及以下数据的意义为：
  第一列为花萼长度值
  第二列为花萼宽度值
  第三列为花瓣长度值
  第四列为花瓣宽度值
  第五列对应是种类（三类鸢尾花分别用0，1，2表示）

三、代码实现

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

iris_data = load_iris()
# 该函数返回一个Bunch对象，它直接继承自Dict类，与字典类似，由键值对组成。
# 可以使用bunch.keys(),bunch.values(),bunch.items()等方法。
print(type(iris_data)) 
# data里面是花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度的测量数据，格式为 NumPy数组
print(iris_data['data'])    # 花的样本数据
print("花的样本数量：{}".format(iris_data['data'].shape))   
print("花的前5个样本数据：{}".format(iris_data['data'][:5])) 

# 0 代表 setosa， 1 代表 versicolor，2 代表 virginica
print(iris_data['target'])  # 类别
print(iris_data['target_names'])   # 花的品种

# 构造训练数据和测试数据
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(\
    iris_data['data'],iris_data['target'],random_state=0)
print("训练样本数据的大小：{}".format(X_train.shape))
print("训练样本标签的大小：{}".format(y_train.shape))
print("测试样本数据的大小：{}".format(X_test.shape))
print("测试样本标签的大小：{}".format(y_test.shape))

# 构造KNN模型
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=1)
# knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)

# 训练模型
knn.fit(X_train,y_train)
y_pred = knn.predict(X_test)

# 评估模型
print("模型精度：{:.2f}".format(np.mean(y_pred==y_test)))
print("模型精度：{:.2f}".format(knn.score(X_test,y_test)))

# 做出预测
X_new = np.array([[1.1,5.9,1.4,2.2]])
prediction = knn.predict(X_new)
print("预测的目标类别是：{}".format(prediction))
print("预测的目标类别花名是：{}".format(iris_data['target_names'][prediction]))

补充说明：

• 样本和特征：机器学习中每个个体叫做样本，其属性叫做特征。在本例中，每朵鸢尾花就是一个样本，每朵鸢尾花的花萼长度、宽度、花瓣长度、宽带就是特征。
• 训练数据和测试数据

  • 训练数据：用于构建模型。

  • 测试数据：用于评估模型性能。
  • 利用scikit-learn中的train_test_split函数将原始数据集分为训练数据和测试数据，75%的数据用作训练集，25%用作测试集。
  • scikit-learn中的数据通常用大写的X表示，标签用小写的y表示，f（X）= y, X是函数的输入，是一个二维矩阵，小写的y是输出的一维数组。
  • 该函数需要设置random_state，给其赋一个值，当多次运行此段代码能够得到完全一样的结果。若不设置此参数则会随机选择一个种子，执行结果也会因此而不同了。虽然可以对random_state进行调参，但是调参后在训练集上表现好的模型未必在陌生训练集上表现好，所以一般会随便选取一个random_state的值作为参数。
  • predict方法进行预测的时候，该函数的输入数据必须是二维数组，因此首先将建立的一维数组转换为二维数组的一行。
  • KNN对象的score方法用于计算测试集的精度。

四、KNN算法

KNN，全称为K Nearest Neighbors，又叫K最近邻算法，是机器学习算法中最简单的分类算法之一。其核心思想是，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类别，则该样本也属于这个类别，并具有这个类别上样本的特性。K就是最近的样本的个数，其取值至关重要，关系最终的分类结果。

如上图所示，绿色的点为要进行分类的点。如果K=3，与之最近的三个点中，蓝色三角形多，那么绿色的点被归为蓝色三角形一类；如果K=5，与之最近的五个点中，红色圆形多，那么绿色的点被归为红色圆形一类。从此可以得出，K值的选取将影响分类结果。

另外一个重要的因素是点距离的计算。常见的距离度量方式有曼哈顿距离、欧式距离等等。通常KNN采用欧式距离。以二维平面为例，二维空间中两个点的欧式距离计算公示如下：

将其拓展到多维空间，公示则变为如下：

KNN简单的将预测点与所有点距离进行计算后排序，选出前面K个值查看类别，类别多的自然归类。