JavaScript机器学习之KNN算法

上图使用 plot.ly 所画。

上次我们用JavaScript实现了 线性规划 ，这次我们来聊聊KNN算法。

KNN是 k-Nearest-Neighbours 的缩写，它是一种监督学习算法。KNN算法可以用来做分类，也可以用来解决回归问题。

GitHub仓库： machine-learning-with-js

KNN算法简介

简单地说， KNN算法由那离自己最近的K个点来投票决定待分类数据归为哪一类 。

如果待分类的数据有这些邻近数据， NY : 7 , NJ : 0 , IN : 4 ，即它有7个 NY 邻居，0个 NJ 邻居，4个 IN 邻居，则这个数据应该归类为 NY 。

假设你在邮局工作，你的任务是为邮递员分配信件，目标是最小化到各个社区的投递旅程。不妨假设一共有7个街区。这就是一个实际的分类问题。你需要将这些信件分类，决定它属于哪个社区，比如 上东城 、 曼哈顿下城 等。

最坏的方案是随意分配信件分配给邮递员，这样每个邮递员会拿到各个社区的信件。

最佳的方案是根据信件地址进行分类，这样每个邮递员只需要负责邻近社区的信件。

也许你是这样想的：”将邻近3个街区的信件分配给同一个邮递员”。这时，邻近街区的个数就是 k 。你可以不断增加 k ，直到获得最佳的分配方案。这个 k 就是分类问题的最佳值。

KNN代码实现

像 上次 一样，我们将使用 mljs 的 KNN 模块 ml-knn 来实现。

每一个机器学习算法都需要数据，这次我将使用 IRIS数据集 。其数据集包含了150个样本，都属于 鸢尾属 下的三个亚属，分别是 山鸢尾 、 变色鸢尾 和 维吉尼亚鸢尾 。四个特征被用作样本的定量分析，它们分别是 花萼 和 花瓣 的长度和宽度。

1. 安装模块

$npm install ml-knn@2.0.0 csvtojson prompt

ml-knn : k-Nearest-Neighbours 模块，不同版本的接口可能不同，这篇博客使用了2.0.0

csvtojson : 用于将CSV数据转换为JSON

prompt : 在控制台输入输出数据

2. 初始化并导入数据

IRIS数据集 由加州大学欧文分校提供。

curl https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data > iris.csv

假设你已经初始化了一个NPM项目，请在 index.js 中输入以下内容：

const KNN = require(’ml-knn’);const csv = require(’csvtojson’);const prompt = require(’prompt’);var knn;const csvFilePath = ’iris.csv’; // 数据集const names = [’sepalLength’, ’sepalWidth’, ’petalLength’, ’petalWidth’, ’type’];let seperationSize; // 分割训练和测试数据let data = [], X = [], y = [];let trainingSetX = [], trainingSetY = [], testSetX = [], testSetY = []; seperationSize 用于分割数据和测试数据

使用csvtojson模块的fromFile方法加载数据：

csv( { noheader: true, headers: names }) .fromFile(csvFilePath) .on(’json’, (jsonObj) => { data.push(jsonObj); // 将数据集转换为JS对象数组 }) .on(’done’, (error) => { seperationSize = 0.7 * data.length; data = shuffleArray(data); dressData(); });

我们将 seperationSize 设为样本数目的0.7倍。注意，如果训练数据集太小的话，分类效果将变差。

由于数据集是根据种类排序的，所以需要使用 shuffleArray 函数对数据进行混淆，这样才能方便分割出训练数据。这个函数的定义请参考StackOverflow的提问 How to randomize (shuffle) a JavaScript array? :

function shuffleArray(array){ for (var i = array.length - 1; i > 0; i--) { var j = Math.floor(Math.random() * (i + 1)); var temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; } return array;} 3. 转换数据

数据集中每一条数据可以转换为一个JS对象：

{sepalLength: ‘5.1’,sepalWidth: ‘3.5’,petalLength: ‘1.4’,petalWidth: ‘0.2’,type: ‘Iris-setosa’ }

在使用 KNN 算法训练数据之前，需要对数据进行这些处理：

将属性(sepalLength, sepalWidth,petalLength,petalWidth)由字符串转换为浮点数. ( parseFloat ) 将分类 (type)用数字表示

function dressData(){ let types = new Set(); data.forEach((row) => { types.add(row.type); }); let typesArray = [...types]; data.forEach((row) => { let rowArray, typeNumber; rowArray = Object.keys(row).map(key => parseFloat(row[key])).slice(0, 4); typeNumber = typesArray.indexOf(row.type); // Convert type(String) to type(Number) X.push(rowArray); y.push(typeNumber); }); trainingSetX = X.slice(0, seperationSize); trainingSetY = y.slice(0, seperationSize); testSetX = X.slice(seperationSize); testSetY = y.slice(seperationSize); train();} 4. 训练数据并测试

function train(){ knn = new KNN(trainingSetX, trainingSetY, { k: 7 }); test();}

train方法需要2个必须的参数: 输入数据，即 花萼 和 花瓣 的长度和宽度；实际分类，即 山鸢尾 、 变色鸢尾 和 维吉尼亚鸢尾 。另外，第三个参数是可选的，用于提供调整 KNN 算法的内部参数。我将 k 参数设为7，其默认值为5。

训练好模型之后，就可以使用测试数据来检查准确性了。我们主要对预测出错的个数比较感兴趣。

function test(){ const result = knn.predict(testSetX); const testSetLength = testSetX.length; const predictionError = error(result, testSetY); console.log(`Test Set Size = ${testSetLength} and number of Misclassifications = ${predictionError}`); predict();}

比较预测值与真实值，就可以得到出错个数：

function error(predicted, expected){ let misclassifications = 0; for (var index = 0; index < predicted.length; index++) { if (predicted[index] !== expected[index]) { misclassifications++; } } return misclassifications;} 5. 进行预测(可选)

任意输入属性值，就可以得到预测值

function predict(){ let temp = []; prompt.start(); prompt.get([’Sepal Length’, ’Sepal Width’, ’Petal Length’, ’Petal Width’], function(err, result) { if (!err) { for (var key in result) { temp.push(parseFloat(result[key])); } console.log(`With ${temp} -- type = ${knn.predict(temp)}`); } });} 6. 完整程序

完整的程序 index.js 是这样的：

const KNN = require(’ml-knn’);const csv = require(’csvtojson’);const prompt = require(’prompt’);var knn;const csvFilePath = ’iris.csv’; // 数据集const names = [’sepalLength’, ’sepalWidth’, ’petalLength’, ’petalWidth’, ’type’];let seperationSize; // 分割训练和测试数据let data = [], X = [], y = [];let trainingSetX = [], trainingSetY = [], testSetX = [], testSetY = [];csv( { noheader: true, headers: names }) .fromFile(csvFilePath) .on(’json’, (jsonObj) => { data.push(jsonObj); // 将数据集转换为JS对象数组 }) .on(’done’, (error) => { seperationSize = 0.7 * data.length; data = shuffleArray(data); dressData(); });function dressData(){ let types = new Set(); data.forEach((row) => { types.add(row.type); }); let typesArray = [...types]; data.forEach((row) => { let rowArray, typeNumber; rowArray = Object.keys(row).map(key => parseFloat(row[key])).slice(0, 4); typeNumber = typesArray.indexOf(row.type); // Convert type(String) to type(Number) X.push(rowArray); y.push(typeNumber); }); trainingSetX = X.slice(0, seperationSize); trainingSetY = y.slice(0, seperationSize); testSetX = X.slice(seperationSize); testSetY = y.slice(seperationSize); train();}// 使用KNN算法训练数据function train(){ knn = new KNN(trainingSetX, trainingSetY, { k: 7 }); test();}// 测试训练的模型function test(){ const result = knn.predict(testSetX); const testSetLength = testSetX.length; const predictionError = error(result, testSetY); console.log(`Test Set Size = ${testSetLength} and number of Misclassifications = ${predictionError}`); predict();}// 计算出错个数function error(predicted, expected){ let misclassifications = 0; for (var index = 0; index < predicted.length; index++) { if (predicted[index] !== expected[index]) { misclassifications++; } } return misclassifications;}// 根据输入预测结果function predict(){ let temp = []; prompt.start(); prompt.get([’Sepal Length’, ’Sepal Width’, ’Petal Length’, ’Petal Width’], function(err, result) { if (!err) { for (var key in result) { temp.push(parseFloat(result[key])); } console.log(`With ${temp} -- type = ${knn.predict(temp)}`); } });}// 混淆数据集的顺序function shuffleArray(array){ for (var i = array.length - 1; i > 0; i--) { var j = Math.floor(Math.random() * (i + 1)); var temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; } return array;}

在控制台执行 node index.js

$ node index.js

输出如下：

Test Set Size = 45 and number of Misclassifications = 2prompt: Sepal Length: 1.7prompt: Sepal Width: 2.5prompt: Petal Length: 0.5prompt: Petal Width: 3.4With 1.7,2.5,0.5,3.4 -- type = 2 参考链接 K NEAREST NEIGHBOR 算法 安德森鸢尾花卉数据集

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来自：https://kiwenlau.com/2017/07/10/javascript-machine-learning-knn/