唤醒手腕2025年最新机器学习K近邻算法详细教程

KNN（K-Nearest Neighbors） 是一种 基于实例（Instance-based） 的监督学习算法，常用于 分类 和 回归。

欧式距离 Euclidean Distance

欧氏距离（Euclidean Distance）。欧氏距离 是最常用的距离度量方法，用来衡量两个点在欧几里得空间（Euclidean Space）中的"直线距离"。简单来说，它就是我们平时理解的"直线距离"或"最短距离"。

距离类型	定义特点	适用场景
欧氏距离	平方和再开根号	连续数值、低维空间
曼哈顿距离	绝对值差的和	离散格点、路径型问题
闵可夫斯基距离	泛化形式 (p 参数)	可调节灵活性
余弦距离	基于角度相似度	文本、向量方向重要的场景

scikit-learn

scikit-learn 是 Python 生态中最主流、最成熟的 机器学习（Machine Learning）库 之一。它提供了从 数据预处理 → 模型训练 → 评估 → 调参 → 部署 的完整流程支持。

https://scikit-learn.org/

核心功能模块

模块	作用	示例类
数据预处理 (sklearn.preprocessing)	标准化、归一化、编码、缺失值处理	StandardScaler, OneHotEncoder, LabelEncoder, SimpleImputer
特征工程 (sklearn.feature_selection)	特征选择、降维	SelectKBest, PCA
模型构建 (sklearn.linear_model, neighbors, tree, svm, ensemble, etc.)	各类监督/无监督学习算法	LogisticRegression, KNeighborsClassifier, RandomForest, SVC, KMeans
模型评估 (sklearn.metrics, model_selection)	精度评估、交叉验证、划分数据集	train_test_split, cross_val_score, accuracy_score, confusion_matrix
模型调优 (sklearn.model_selection)	网格搜索、随机搜索	GridSearchCV, RandomizedSearchCV
Pipeline 管线化 (sklearn.pipeline)	将预处理与模型组合成统一流程	Pipeline, ColumnTransformer

scikit-learn 工作流程（核心思想）

阶段	方法	说明
训练阶段	fit(X, y)	训练模型或学习参数
预测阶段	predict(X)	输出预测结果
评分阶段	score(X, y)	返回模型性能指标（如分类精度）

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 1. 划分数据
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 2. 标准化
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)

# 3. 建立模型
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)

# 4. 训练
knn.fit(X_train, y_train)

# 5. 预测
y_pred = knn.predict(X_test)

# 6. 评估
print("Accuracy:", accuracy_score(y_test, y_pred))

算法类别	sklearn 模块	示例模型
线性模型	sklearn.linear_model	LinearRegression, LogisticRegression, Ridge, Lasso
树模型	sklearn.tree	DecisionTreeClassifier, DecisionTreeRegressor
集成模型	sklearn.ensemble	RandomForest, GradientBoosting, AdaBoost
支持向量机	sklearn.svm	SVC, SVR
邻近算法	sklearn.neighbors	KNeighborsClassifier, KNeighborsRegressor
朴素贝叶斯	sklearn.naive_bayes	GaussianNB, MultinomialNB
聚类	sklearn.cluster	KMeans, DBSCAN
降维	sklearn.decomposition	PCA, NMF

数据预处理模块常用工具

功能	类	说明
缺失值处理	SimpleImputer	填充缺失值（均值、中位数等）
标准化	StandardScaler	均值为 0，方差为 1
归一化	MinMaxScaler	映射到 [0,1] 区间
类别编码	OneHotEncoder, LabelEncoder	将分类变量转为数字
特征选择	SelectKBest, VarianceThreshold	保留重要特征

模型评估

from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report

print(confusion_matrix(y_test, y_pred))
print(classification_report(y_test, y_pred))

网格搜索（GridSearchCV）

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

param_grid = {'n_neighbors': [3, 5, 7, 9]}
grid = GridSearchCV(KNeighborsClassifier(), param_grid, cv=5)
grid.fit(X_train, y_train)
print(grid.best_params_, grid.best_score_)

Pipeline 管线化

将预处理与模型打包为一个整体，避免"数据泄漏"，简化流程。

from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

pipe = Pipeline([
    ('scaler', StandardScaler()),
    ('knn', KNeighborsClassifier(n_neighbors=5))
])

pipe.fit(X_train, y_train)
y_pred = pipe.predict(X_test)

kaggle 概述

Kaggle 是全球最大的数据科学和机器学习社区和竞赛平台，由 Google 在 2017 年收购。它被广泛认为是数据科学领域的"黄金标准"实践平台，无论是对于初学者还是资深专家。

核心定位：提供一个环境，让数据科学家、机器学习工程师、统计学家和数据分析师可以协作、竞争、学习，并解决真实世界的数据问题。

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.preprocessing import StandardScaler, OneHotEncoder
from sklearn.compose import ColumnTransformer
import joblib

heart_disease_data = pd.read_csv('./heart.csv')

heart_disease_data.dropna(inplace=True)

# heart_disease_data.info()


# print(heart_disease_data.head())

# 数据集划分

X = heart_disease_data.drop(columns='target', axis=1)
Y = heart_disease_data.target

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.3, random_state=42)

# print(X_train.shape, X_test.shape, y_train.shape, y_test.shape)

numerical_features = [
    "age",        # 年龄，连续数值
    "trestbps",   # 静息血压
    "chol",       # 胆固醇
    "thalach",    # 最大心率
    "oldpeak",    # 运动引起的ST下降
    "ca"          # 主要血管数量（0-4）

]

categorical_features = [
    "cp",         # 胸痛类型（4种分类：0-3）
    "restecg",    # 静息心电图结果（0-2）
    "slope",      # ST段斜率（0-2）
    "thal"        # 地中海贫血（1=正常，2=固定缺陷，3=可逆缺陷）
]

binary_features = [
    "sex",        # 性别（1=男，0=女）
    "fbs",        # 空腹血糖 > 120 mg/dl（1=是，0=否）
    "exang"       # 运动诱发心绞痛（1=是，0=否）
]


columnTransformer = ColumnTransformer(
    transformers=[
        ("num", StandardScaler(), numerical_features),
        ("cat", OneHotEncoder(drop="first"), categorical_features),
        ("bin", "passthrough", binary_features)
    ]
)

X_train = columnTransformer.fit_transform(X_train)
X_test = columnTransformer.transform(X_test)

print(X_train.shape)
print(X_test.shape)

knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)

knn.fit(X_train, y_train)


print(knn.score(X_test, y_test))

joblib.dump(knn, 'knn_model.joblib')