K-近邻算法

K Nearest Neighbor算法

K-近邻算法又叫KNN算法,这个算是机器学习里面一个较为经典的算法。

  • 定义:如果一个样本在特征空间中的K个最相似的样本中大多数属于某个类别,则该样本也属于这个类别

距离度量方式

欧式距离(Euclidean Distance)

欧式距离是最直接的度量方法,直接计算两个坐标点之间的距离

曼哈顿距离(Manhattan Distance)

曼哈顿距离指的是城市街道之间的路程距离,有称为“城市街区距离”

切比雪夫距离(Chebyshev Distance)

国际象棋中,国王可以直行、横行、斜行,所以国王走一步可以移动当相邻8个方格中的任意一个,计算从格子1走到格子2最少需要多少步,这个距离就叫切比雪夫距离。

闵可夫斯基距离(Minkowski Distance)

闵氏距离不是一种距离,而是一组距离的定义,是对多个距离度量公式的概括性的表述。两个n维变量a(x11,x12,…,x1n)与b(x21,x22,…,x2n)间的闵可夫斯基距离定义为:

其中p是一个变参数:

当p=1时,就是曼哈顿距离;

当p=2时,就是欧氏距离;

当p→∞时,就是切比雪夫距离。

根据p的不同,闵氏距离可以表示某一类/种的距离。

以上几种距离的缺点就是:每个分量的单位当成同样看待了

标准化欧式距离(Standardized EuclideanDistance)

标准化欧式距离是针对欧式距离的缺点而做的一种改进,思路就是把每一个分量上的数值进行标准化处理

如果将方差的倒数看成一个权重,也可以乘之为加权欧式距离

余弦距离(Cosine Distance)

几何中,夹角余弦可用来衡量两个向量方向的差异;机器学习中,借用这一概念来衡量样本向量之间的差异。

夹角余弦取值范围为[-1,1]。余弦越大表示两个向量的夹角越小,余弦越小表示两向量的夹角越大。当两个向量的方向重合时余弦取最大值1,当两个向量的方向完全相反余弦取最小值-1。

汉明距离(Hamming Distance)

两个等长字符串s1与s2的汉明距离为:将其中一个变为另一个字符所要替换的次数

1
2
3
The Hamming distance between "1011101" and "1001001" is 2. 
The Hamming distance between "2143896" and "2233796" is 3.
The Hamming distance between "toned" and "roses" is 3.

杰卡德距离(Jaccard Distance)

杰卡德相似系数:两个集合A和B的交集元素在A,B的并集中所占的比例,称为两个集合的杰卡德相似系数:

杰卡德距离:与杰卡德相似系数相反,用两个集合中不同元素占所有元素的比例来衡量两个集合的区分度:

马氏距离(Mahalanobis Distance)

下图有两个正态分布图,它们的均值分别为a和b,但方差不一样,则图中的A点离哪个总体更近?或者说A有更大的概率属于谁?显然,A离左边的更近,A属于左边总体的概率更大,尽管A与a的欧式距离远一些。这就是马氏距离的直观解释。

马氏距离是基于样本分布的一种距离。

马氏距离是由印度统计学家马哈拉诺比斯提出的,表示数据的协方差距离。它是一种有效的计算两个位置样本集的相似度的方法。

与欧式距离不同的是,它考虑到各种特性之间的联系,即独立于测量尺度。

马氏距离定义:设总体G为m维总体(考察m个指标),均值向量为μ=(μ1,μ2,… …,μm,)`,协方差阵为∑=(σij),

则样本X=(X1,X2,… …,Xm,)`与总体G的马氏距离定义为:

马氏距离也可以定义为两个服从同一分布并且其协方差矩阵为∑的随机变量的差异程度:如果协方差矩阵为单位矩阵,马氏距离就简化为欧式距离;如果协方差矩阵为对角矩阵,则其也可称为正规化的欧式距离。

马氏距离特性:

1.量纲无关,排除变量之间的相关性的干扰;

2.马氏距离的计算是建立在总体样本的基础上的,如果拿同样的两个样本,放入两个不同的总体中,最后计算得出的两个样本间的马氏距离通常是不相同的,除非这两个总体的协方差矩阵碰巧相同;

3 .计算马氏距离过程中,要求总体样本数大于样本的维数,否则得到的总体样本协方差矩阵逆矩阵不存在,这种情况下,用欧式距离计算即可。

4.还有一种情况,满足了条件总体样本数大于样本的维数,但是协方差矩阵的逆矩阵仍然不存在,比如三个样本点(3,4),(5,6),(7,8),这种情况是因为这三个样本在其所处的二维空间平面内共线。这种情况下,也采用欧式距离计算。

欧式距离&马氏距离:


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