雅言敦行 2019-06-21
译者按: 机器学习原来很简单啊,不妨动手试试!
原文: Machine Learning with JavaScript : Part 2
译者: Fundebug
为了保证可读性,本文采用意译而非直译。另外,本文版权归原作者所有,翻译仅用于学习。另外,我们修正了原文代码中的错误
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
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。
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。
$ npm install [email protected] 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
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; }
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(); }
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; }
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)}`); } }); }
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 = 2 prompt: Sepal Length: 1.7 prompt: Sepal Width: 2.5 prompt: Petal Length: 0.5 prompt: Petal Width: 3.4 With 1.7,2.5,0.5,3.4 -- type = 2
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