《昇思 25 天学习打卡营第 14 天 | 基于MindSpore的红酒分类实验 》

《昇思 25 天学习打卡营第 14 天 | 基于MindSpore的红酒分类实验 》

活动地址：https://xihe.mindspore.cn/events/mindspore-training-camp
签名：Sam9029

使用MindSpore实现K近邻（KNN）红酒聚类

实验目的和KNN算法概述

本次实验的目的是了解K近邻（K-Nearest Neighbors, KNN）算法的基本概念，并学习如何使用华为的MindSpore框架实现KNN实验。KNN是一种基础的分类和回归算法，通过计算测试样本与训练样本之间的距离，找出最近的K个邻居，并通过多数表决的方式确定测试样本的类别。

KNN算法原理

KNN算法的三个关键要素包括：

• K值：邻居的数量，决定了分类的依据。
• 距离度量：如欧氏距离，反映样本间的相似度。
• 分类决策规则：通常是多数表决，也可以是基于距离加权的表决。

在分类问题中，KNN的流程包括：

1. 找出测试样本最近的K个训练样本。
2. 统计这些邻居中各类样本的数量。
3. 选择数量最多的类别作为测试样本的预测类别。

实验环境和数据处理

实验使用MindSpore 2.0环境，支持多种操作系统和硬件平台。数据集选用了著名的Wine数据集，包含178个样本，每个样本有13个属性，并分为3个类别。

数据处理步骤包括：

• 读取数据集并将其分为训练集和测试集。
• 将属性作为自变量X，类别作为因变量Y。
• 可视化部分数据，以理解样本分布。

模型构建和距离计算

在MindSpore中构建KNN模型需要实现距离的计算和最近邻的索引获取。通过以下步骤实现：

• 使用tile和square操作平铺输入样本并计算平方差。
• 通过ReduceSum和sqrt计算样本间的欧氏距离。
• 使用TopK操作找出最近的K个邻居。

模型预测和评估

实验中，使用K=5在测试集上进行预测，并通过准确率评估模型性能。代码中定义了KnnNet类和knn函数来执行KNN预测。
通过本次实验，成功地使用MindSpore实现了KNN算法，并在Wine数据集上进行了红酒聚类实验。实验结果显示，KNN算法能够有效地根据酒的13种属性判断其品种，验证了算法的有效性。

思考

• K值选择：K值的选择对模型性能有显著影响。过小的K值可能使模型对噪声敏感，而过大的K值可能导致类别界限模糊。实践中，可以通过交叉验证来选择最优的K值。
• 距离度量：除了欧氏距离，还可以尝试其他距离度量方法，如曼哈顿距离或余弦相似度，以观察不同距离度量对结果的影响。
• 特征缩放：KNN对特征的尺度敏感，因此在应用KNN之前，通常需要对特征进行标准化或归一化处理。
• 算法改进：可以探索加权KNN，其中每个邻居的投票权重与其距离成反比，以提高模型的预测精度。

KNN作为一种简单直观的机器学习算法，在许多分类问题中都有应用。通过本次实验，不仅学习了KNN的基本原理，还掌握了如何在MindSpore框架下实现和评估KNN模型。未来的工作可以探索更多的特征工程技巧和算法变体，以进一步提高模型性能。