数据分析实战 | KNN算法——病例自动诊断分析
使用python，利用KNN算法对病例数据进行分类分析，从而实现自动诊断病例分析，步骤包括数据读入、数据理解、数据准备、模型训练、模型评价、模型调参、模型改进和模型预测等。
目录
一、数据及分析对象
CSV文件——“bc_data.csv”
数据集链接：https://download.csdn.net/download/m0_70452407/88524905
该数据集主要记录了569个病例的32个属性，主要属性/字段如下：
（1）ID：病例的ID。
（2）Diagnosis（诊断结果）：M为恶性，B为良性。该数据集共包含357个良性病例和212个恶性病例。
（3）细胞核的10个特征值，包括radius（半径）、texture（纹理）、perimeter（周长）、面积（area）、平滑度（smoothness）、紧凑度（compactness）、凹面（concavity）、凹点（concave points）、对称性（symmetry）和分形维数（fractal dimension）等。同时，为上述10个特征值分别提供了3种统计量，分别为均值（mean）、标准差（standard error）和最大值（worst or largest）。
二、目的及分析任务
理解机器学习方法在数据分析中的应用——KNN方法进行分类分析。
（1）样本为训练集进行有监督学习，并预测——“诊断结果（diagnosis）”。
（2）以剩余记录为测试集，进行KNN建模。
（3）按KNN模型预测测试集的dignosis类型。
（4）按KNN模型给出的diagnosis“预测类型”与数据集bc_data.csv自带的“实际类型”进行对比分析，验证KNN建模的有效性。
三、方法及工具
Python语言及scikit-learn包
四、数据读入
import pandas as pd
bc_data=pd.read_csv("D:\\Download\\JDK\\数据分析理论与实践by朝乐门_机械工业出版社\\第4章 分类分析\\bc_data.csv"
,header=0)
bc_data.head()
五、数据理解
对数据框bc_data进行探索性分析，这里采用的实现方法为调用pandas包中数据框（DataFrame）的describe()方法。
bc_data.describe()
除了describe()方法，还可以调用shape属性和pandas_profiling包对数据框进行探索性分析。
bc_data.shape(569, 32)
六、数据准备
在数据框bc_data中，对于乳腺癌诊断分析有用的数据为细胞核的10个特征值，为了将该数据值提取出来，需要在数据框bc_data的基础上删除列名为“id”和“diagnosis”的数据，删除后的数据框命名为“data”，实现方式为调用数据框的drop()方法，并使用该包的head()方法观察数据情况。
data=bc_data.drop(['id'],axis=1)
X_data=data.drop(['diagnosis'],axis=1)
X_data.head()
接着，调用NumPy的ravel()方法对数据框data中命名为“diagnosis”的列信息以视图形式（view）返回，并以一维数组形式输出。
import numpy as np
y_data=np.ravel(data[['diagnosis']])
y_data[0:6]array(['M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M'], dtype=object)
为了实现基于KNN算法乳腺癌自动诊断的目标，先将data数据框信息随机分为训练集和测试集两部分。采用的实现方式为调用scikit-learn包中model_selection模块的train_test_split()方法，设定训练集数据容量占总数居的75%，剩下的为测试集数据，调用pandas包中数据框（DataFrame）的describe()方法。
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_trainingSet,X_testSet,y_trainingSet,y_testSet=train_test_split(
X_data,y_data,random_state=1,test_size=0.25)
X_trainingSet.describe()
除了describe()方法，还可以调用shape属性和pandas_profiling包对数据框进行探索性分析。
X_trainingSet.shape(426, 30)
同时，对测试集数据框也对其做相同的处理。
X_testSet.describe()
X_testSet.shape(143, 30)
对训练集数据进行“学习训练”后，自动获取它的均值和方差，再分别对训练集和测试集进行“归一化”处理。采用的实现方式为调用scikit-learn包中的preprocessing模块的StandardScaler()方法。其中，训练集数据的归一化处理如下：
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
means_normalization=StandardScaler() #均值归一化处理
means_normalization.fit(X_trainingSet) #进行训练集的“诊断学习”，得到均值和方差
X_train_normalization=means_normalization.transform(X_trainingSet)X_train_normalizationarray([[ 0.30575375, 2.59521918, 0.46246107, ..., 1.81549702, 2.10164609, 3.38609913], [ 0.23351721, -0.05334893, 0.20573083, ..., 0.5143837 , 0.14721854, 0.05182385], [ 0.15572401, 0.18345881, 0.11343692, ..., 0.69446859, 0.263409 , -0.10011179], ..., [ 0.85586279, 1.19276558, 0.89773369, ..., 1.12967374, 0.75591781, 2.97065009], [-0.02486734, 0.44095848, -0.08606303, ..., -0.52515632, -1.1291423 , -0.45561747], [-0.30270019, -0.20968802, -0.37543871, ..., -0.967865 , -1.54361274, -1.31500348]])
对测试集数据也采用相同的方式进行归一化处理。
X_test_normalization=means_normalization.transform(X_testSet)
X_test_normalizationarray([[ 0.15850234, -1.23049032, 0.25369143, ..., -0.05738582, -0.08689656, 0.48863884], [-0.2638036 , -0.15450952, -0.23961754, ..., 1.41330744, 1.77388495, 2.02105229], [-0.32492682, -0.76147305, -0.35407811, ..., -0.1354226 , 0.87210827, 0.71179432], ..., [ 0.25852216, -0.06024625, 0.21500053, ..., -0.03937733, -1.03202789, -0.84910706], [ 1.46709506, 0.95825694, 1.49824869, ..., 0.62693676, 0.07438274, -0.45739797], [-0.61942964, 0.42256565, -0.6261235 , ..., -0.48013509, 0.34318156, -0.6134881 ]])
七、模型训练
训练集进行学习概念“诊断结果”，利用测试集进行KNN建模。通过对训练和测试数据进行适当的处理后，接下来进行模型参数的确定。KNN模型类别有暴力法、KD树和球树。暴力法适用于数据较少的形式，而KD树在较多的数据中更有优势，考虑到算法效率问题，结合本项目中数据框的数据量，选择KD树进行建模，首先取得KNN分类器，并使用内置参数调整KNN三要素。
这里采用的模型训练实现方式为scikit-learn包中的neighbors模块的KNeighborsClassifier()方法，其中对于设置的各项参数解释如下：
（1）algorithm表示快速k近邻搜索算法，这里确定的算法模型为KD树。
（2）leaf_size是构造KD树的大小，默认为30。
（3）metric用于距离度量，默认度量是minkowski。
（4）metric_params表示距离公式的其他关键参数，并不是很重要，使用默认的None。
（5）n_jobs是并行处理设置，使用默认的None。
（6）n_neighbors表示初始设定的近邻树，即KNN算法中的k值。
（7）p代表距离度量公式，其中1为哈曼顿距离公式，2为欧氏距离公式，这里使用欧氏距离公式进行距离度量，将p值设置为2。
（8）weights表权重，默认为uniform（均等权重）。
接着，利用训练函数fit()和预测函数predict()实现对训练集已知数据和测试集数据的对比输出。
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
myModel=KNeighborsClassifier(algorithm="kd_tree",
leaf_size=30,
metric="minkowski",
metric_params=None,
n_jobs=None,
n_neighbors=5,
p=2,
weights="uniform")
myModel.fit(X_trainingSet,y_trainingSet)
y_predictSet=myModel.predict(X_testSet)fit()函数数据训练结果如下：
y_testSetarray(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'], dtype=object)
用predict()函数进行预测的结果如下：
y_predictSetarray(['M', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'], dtype=object)
最后，使用get_params()方法实现对模型各参数的查询：
myModel.get_params(){'algorithm': 'kd_tree', 'leaf_size': 30, 'metric': 'minkowski', 'metric_params': None, 'n_jobs': None, 'n_neighbors': 5, 'p': 2, 'weights': 'uniform'}
由上述输出结果可以看出，使用get_params()方法查询参数是以字典结构的形式展现，并且可以看到参数结果与之前设置保持一致。
八、模型评价
为了评价所建立模型的性能，采用“预测准确率（Accuracy Score）”参数，具体实现方式是调用scikit-learn包的metrics模块的accuracy_score()方法。
from sklearn.metrics import accuracy_score
accuracy_score(y_testSet,y_predictSet)0.9370629370629371
通过结果输出可知，模型预测结果的准确率约为93.71%，可以考虑尝试进一步优化。
九、模型调参
通过前面分析可知，k值的大小对模型预测结果会产生很多的影响。为此，接下来利用准确率函数score()来实现k值范围在1~22的准确率值计算。
import matplotlib.pyplot as plt
NumberOfNeighbors=range(1,23)
KNNs=[KNeighborsClassifier(n_neighbors=i) for i in NumberOfNeighbors]
range(len(KNNs))
scores=[KNNs[i].fit(X_trainingSet,y_trainingSet).score(X_testSet,y_testSet) for i in range(0,22)]
plt.plot(NumberOfNeighbors,scores)
plt.title("Elbow Curve")
plt.xlabel("Number of Neighbors")
plt.ylabel("Score")
通过图标信息可以看到，当k的值（即n_neighbors）为4时，模型预测得分最高，因此接下来对模型参数进行改进。
十、模型改进
myModel_prove=KNeighborsClassifier(algorithm="kd_tree",
leaf_size=30,
metric="minkowski",
metric_params=None,
n_jobs=None,
n_neighbors=4,
p=2,
weights="uniform")
myModel_prove.fit(X_trainingSet,y_trainingSet)
y_predictSet=myModel_prove.predict(X_testSet)十一、模型预测
fit()函数数据训练结果如下：
y_predictSetarray(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'], dtype=object)
用predict()函数进行预测的结果如下：
y_predictSetarray(['B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'M', 'M', 'M', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'B', 'M', 'M', 'B', 'B', 'B', 'M', 'M', 'B'], dtype=object)
为了评价所建立模型的性能，采用“预测准确率（Accuracy Score）”参数，具体实现方式是调用scikit-learn包的metrics模块的accuracy_score()方法。
accuracy_score(y_testSet,y_predictSet)0.9440559440559441
从输出结果可以看出，模型的预测准确率提高了，说明对模型进行了优化。
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