大数据算法：分类算法

作者: do_young | 来源:发表于2021-12-28 09:27 被阅读0次

KNN分类算法

KNN算法，即K近邻（K Nearest Neighbour）算法，是一种基本的分类算法。其主要原理是：对于一个需要分类的数据，将其和一组已经分类标注好的样本集合进行比较，得到距离最近的K个样本，K个样本最多归属的类别，就是这个需要分类数据的类别。下面我给你画了一个KNN算法的原理图。

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图中，红蓝绿三种颜色的点为样本数据，分属三种类别 $w_{1}$ 、 $w_{2}$ 、 $w_{3}$ 。对于待分类点 $X_{u}$ ，计算和它距离最近的5个点（即K为5），这5个点最多归属的类别为 $w_{1}$ （4个点归属 $w_{1}$ ，1个点归属 $w_{3}$ ），那么 $X_{u}$ 的类别被分类为 $w_{1}$ 。

KNN的算法流程也非常简单，请看下面的流程图。

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KNN算法是一种非常简单实用的分类算法，可用于各种分类的场景，比如新闻分类、商品分类等，甚至可用于简单的文字识别。对于新闻分类，可以提前对若干新闻进行人工标注，标好新闻类别，计算好特征向量。对于一篇未分类的新闻，计算其特征向量后，跟所有已标注新闻进行距离计算，然后进一步利用KNN算法进行自动分类。

读到这你肯定会问，如何计算数据的距离呢？如何获得新闻的特征向量呢？

数据的距离

KNN算法的关键是要比较需要分类的数据与样本数据之间的距离，这在机器学习中通常的做法是：提取数据的特征值，根据特征值组成一个n维实数向量空间（这个空间也被称作特征空间），然后计算向量之间的空间距离。空间之间的距离计算方法有很多种，常用的有欧氏距离、余弦距离等。

对于数据 $x_{i}$ 和 $x_{j}$ ，若其特征空间为n维实数向量空间 $R^{n}$ ，即 $x_{i}=(x_{i1},x_{i2},…,x_{in})$ ， $x_{j}=(x_{j1},x_{j2},…,x_{jn})$ ，则其欧氏距离计算公式为

$d(x_{i},x_{j})=\sqrt{\sum_{k=1}^{n}{(x_{ik}-x_{jk})^2}}$

这个欧式距离公式其实我们在初中的时候就学过，平面几何和立体几何里两个点之间的距离，也是用这个公式计算出来的，只是平面几何（二维几何）里的n=2，立体几何（三维几何）里的n=3，而机器学习需要面对的每个数据都可能有n维的维度，即每个数据有n个特征值。但是不管特征值n是多少，两个数据之间的空间距离的计算公式还是这个欧氏计算公式。大多数机器学习算法都需要计算数据之间的距离，因此掌握数据的距离计算公式是掌握机器学习算法的基础。

欧氏距离是最常用的数据计算公式，但是在文本数据以及用户评价数据的机器学习中，更常用的距离计算方法是余弦相似度。

$cos(\theta)=\frac{\sum_{k=1}^{n}{x_{ik}x_{jk}}}{\sqrt{\sum_{k=1}^{n}{x_{ik}^{2}}}\sqrt{\sum_{k=1}^{n}{x_{jk}^{2}}}}$

余弦相似度的值越接近1表示其越相似，越接近0表示其差异越大，使用余弦相似度可以消除数据的某些冗余信息，某些情况下更贴近数据的本质。我举个简单的例子，比如两篇文章的特征值都是：“大数据”“机器学习”和“极客时间”，A文章的特征向量为（3, 3, 3），即这三个词出现次数都是3；B文章的特征向量为（6, 6, 6），即这三个词出现次数都是6。如果光看特征向量，这两个向量差别很大，如果用欧氏距离计算确实也很大，但是这两篇文章其实非常相似，只是篇幅不同而已，它们的余弦相似度为1，表示非常相似。

余弦相似度其实是计算向量的夹角，而欧氏距离公式是计算空间距离。余弦相似度更关注数据的相似性，比如两个用户给两件商品的打分分别是（3, 3）和（4, 4），那么两个用户对两件商品的喜好是相似的，这种情况下，余弦相似度比欧氏距离更合理。

文本的特征值

我们知道了机器学习的算法需要计算距离，而计算距离需要还知道数据的特征向量，因此提取数据的特征向量是机器学习工程师们的重要工作，有时候甚至是最重要的工作。不同的数据以及不同的应用场景需要提取不同的特征值，我们以比较常见的文本数据为例，看看如何提取文本特征向量。

文本数据的特征值就是提取文本关键词，TF-IDF算法是比较常用且直观的一种文本关键词提取算法。这种算法是由TF和IDF两部分构成。

TF是词频（Term Frequency），表示某个单词在文档中出现的频率，一个单词在一个文档中出现的越频繁，TF值越高。

词频： $TF=\frac{某个词在文档中出现的次数}{文档总词数}$

IDF是逆文档频率（Inverse Document Frequency），表示这个单词在所有文档中的稀缺程度，越少文档出现这个词，IDF值越高。

逆文档频率： $IDF=log(\frac{所有的文档总数}{出现该词的文档数})$

TF与IDF的乘积就是TF-IDF。

$TF-IDF=TF\times IDF$

所以如果一个词在某一个文档中频繁出现，但在所有文档中却很少出现，那么这个词很可能就是这个文档的关键词。比如一篇关于原子能的技术文章，“核裂变”“放射性”“半衰期”等词汇会在这篇文档中频繁出现，即TF很高；但是在所有文档中出现的频率却比较低，即IDF也比较高。因此这几个词的TF-IDF值就会很高，就可能是这篇文档的关键词。如果这是一篇关于中国原子能的文章，也许“中国”这个词也会频繁出现，即TF也很高，但是“中国”也在很多文档中出现，那么IDF就会比较低，最后“中国”这个词的TF-IDF就很低，不会成为这个文档的关键词。

提取出关键词以后，就可以利用关键词的词频构造特征向量，比如上面例子关于原子能的文章，“核裂变”“放射性”“半衰期”这三个词是特征值，分别出现次数为12、9、4。那么这篇文章的特征向量就是（12, 9, 4），再利用前面提到的空间距离计算公式计算与其他文档的距离，结合KNN算法就可以实现文档的自动分类。

贝叶斯分类

贝叶斯公式是一种基于条件概率的分类算法，如果我们已经知道A和B的发生概率，并且知道了B发生情况下A发生的概率，可以用贝叶斯公式计算A发生的情况下B发生的概率。事实上，我们可以根据A的情况，即输入数据，判断B的概率，即B的可能性，进而进行分类。

举个例子：假设一所学校里男生占60%，女生占40%。男生总是穿长裤，女生则一半穿长裤一半穿裙子。假设你走在校园中，迎面走来一个穿长裤的学生，你能够推断出这个穿长裤学生是男生的概率是多少吗？

答案是75%，具体算法是：

$穿长裤是男生的概率 = \frac{男生穿长裤的概率 \times 是男生的概率}{学生穿长裤的概率}$

这个算法就利用了贝叶斯公式，贝叶斯公式的写法是：

$P(B|A)= \frac{P(A|B)*P(B)}{P(A)}$

意思是A发生的条件下B发生的概率，等于B发生的条件下A发生的概率，乘以B发生的概率，除以A发生的概率。还是上面这个例子，如果我问你迎面走来穿裙子的学生是女生的概率是多少。同样带入贝叶斯公式，可以计算出是女生的概率为100%。其实这个结果我们根据常识也能推断出来，但是很多时候，常识受各种因素的干扰，会出现偏差。比如有人看到一篇博士生给初中学历老板打工的新闻，就感叹读书无用。事实上，只是少见多怪，样本量太少而已。而大量数据的统计规律则能准确反映事物的分类概率。

贝叶斯分类的一个典型的应用场合是垃圾邮件分类，通过对样本邮件的统计，我们知道每个词在邮件中出现的概率 $P(A_{i})$ ，我们也知道正常邮件概率 $P(B_{0})$ 和垃圾邮件的概率 $P(B_{1})$ ，还可以统计出垃圾邮件中各个词的出现概率 $P(A_{i}|B_{1})$ ，那么现在一封新邮件到来，我们就可以根据邮件中出现的词，计算 $P(B_{1}|A_{i})$ ，即得到这些词出现情况下，邮件为垃圾邮件的概率，进而判断邮件是否为垃圾邮件。