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R 3장. knn (최근접 이웃을 사용한 분류의 이해)

R(알) 2017. 7. 14. 19:51

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■ 어제까지 배운 내용 R 내용 복습

R 기본 문법 수업 : 1주일
R 기계 학습 :

-2장 : 기계학습 책에 나오는 내용을 이해하기휘한 기본 문법과 함수 소개하는 내용

-3장 : knn

-소개팅

-과일

-유방암

-폐암

-4장 : 나이브 베이즈

-5장 : 결정트리

■ 3장. knn (최근접 이웃을 사용한 분류의 이해)

머신러닝의 종류
1.지도학습
- -분류:knn
- -회귀:
2.비지도학습
3.강화학습

▦ 3장 목차

knn(k-Nearest Neighbors) 란 무엇인가?
knn(k-Nearest Neighbors)이 필요한 이유?
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류의 이해
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습1( 소개팅 데이터 )
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습2( 과일 데이터 )
적당한 k 값 선택
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습3(유방암 데이터)
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습4(붓꽃 데이터)
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습5(폭력과 멜로 분류)
knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습6(폐암 데이터)

▦ 1. knn(k-Nearest Neighbors) 란 무엇인가?

- 사회적인 관계 관찰해보면?

대략적으로 비슷한 사람끼리 모이는 성질이 있다.

비슷한 취향의 사람들끼리 모여서 동호회를 만들고

비슷한 부류의 계층의 사람들끼리 친분을 맺기도 한다.

- 공간적인 관계를 관찰해보면?

가구점이 모이는 상가지역이 따로 형성이 되어 있거나

한약방이 밀집되어 있는 지역이 따로 모여있는 경우가 많다.(제기동)

이런 특성을 가진 데이터를 겨냥해서 만들어진 알고리즘이 knn이다.

▦ 2. knn(k-Nearest Neighbors)이 필요한 이유?

- knn 이 왜 필요한지?

"유방암 종양의 크기에 대한 데이터( 반지름 , 둘레, 면적등 ) 만

가지고 이 종양이 악성인지 양성인지를 미리 예측할 수 있다면

환자에 대한 치료 스케쥴에 큰 영향을 미칠 수 있다."

- 암 발견과 치료과정 :

건강검진 -----> 2.초음파, 내시경 ----> 3.의심되는 종양

----> 4. 큰 병원에 가서 조직검사를 하라고 권고 받는다.

----> 5. 3~4달 후의 예약을 잡아준다.

▦ knn(k-Nearest Neighbors)의 분류의 이해

그림

물음표가 무슨 색일까?

"어떤 라벨(사진속 물음표)을 정의할 때 그 데이터의 주변 반경안의

데이터들을 조사하여 다수결로 k 개 이상이면 가장 많은 라벨로 정의하는 것이다."

그림을 보면 정체를 알 수 없는 ? 모양의 라벨이 있는데

이것이 빨간색인지 파란색인지

k = 3으로 놓고 본다면

A의 경우는 Red

B의 경우는 Blue

▦ 4.knn(k-Nearest Neighbors)의 분류실습1(소개팅 데이터)

A라는 여학생이 소개팅을 수천번하지는 않기 때문에 14번정도 했다고 가정하고

그 동안 만난 남학생들에 대한 라벨을 호감라벨로 만들어서 데이터를 정리함

이 데이터를 기주능로 새로 만나게 될 남학생에 대한 데이터로만 호감레벨을 예측해본다.

- 기계학습을 기동할대는 input 데이터를 알고리즘에 맞게 잘 정제하는 작업이 필요하다 .

표준화 : R 에서는 scale()이라는 함수를 통해서

-1 ~ 1 사이의 데이터로 변경한다.

( 키는 cm 이고 몸무게는 kg니까 서로 데이터의 범위가 달라서

결과가 잘 날올리가 없지 ~ 그래서 scale함수로 키와 몸무게를

-1 ~ 1 사이의 데이터로 변경을 해주어요 ~ )

====> 표준화

정규화 : 정규분포에 속하는 데이터로 정규화를 해줘야 한다.

평균 및 표준편차를 기반으로 데이터 조정:

데이터와 평균의 차이를 표준편차로 나눈다.

값 - 평균값

정규화 : -------------

표준편차

훈련 데이터 like 데이터를 준비

like <- read.csv('like.csv',stringAsFactor=T, header=T)

> like <- read.csv('like.csv',stringsAsFactors=T, header=T)

> colnames(like) <- c('talk','book','travel','school','tall','skin','muscle','label')

테스트 데이터를 만든다 ( 앞으로 ㅅㄱㅁ만나게 될 남학생의 데이터)

test <- data.frame(talk=70, book=50, travel=30 , school=70, tall=70, skin=40, muscle=50)

test

test 데이터의 남학생이 1타입,2타입,3타입 인지를 알아내고자 한다.

knn을 돌리기 위한 패키지 설치

install.packages("class")

library(class)

train <- like[,-8]

group <- like[,8]

> knnpred1 <- knn(train, test,group, k=3,prob=TRUE)

> knnpred1

[1] 3타입

attr(,"prob")

[1] 0.6666667

Levels: 1타입 2타입 3타입

문제187. k 값을 4로 하면 결과가 달라지는지 확인하시오 ~!

안달라져

문제 188. (점심시간 문제) 나이, 월수입, 상품구매여부 3개읠 데이터를

갖는 데이터가 있다. (buy.csv) 이 데이터를 이용해서 나이가 44이고 월급이 400 만원인

사람이 상품을 구매할지 비구매할지를 knn 분류 알고리즘으로 분석하시오 !

나이와 월수입으로 상품 구매여부를 예측하는 데이터

buy <- read.csv("buy.csv", stringsAsFactors =F, header=T)

buy

1. 나이와 월수입 데이터를 표준화 한다.

buy$age <- scale(buy$나이)

buy$pay <- scale(buy$월수입)

2. 나이와 월수입 데이터를 정규화 한다.

값 - 평균값

정규화 = --------------------------

표준편차

test<- data.frame(age=44, pay=400)

train <- buy[,c(4,5)]

lebels <- buy[,3]

test$age <- (test$age - mean(buy$나이) ) / sd(buy$나이)

test$pay <- ( test$pay - mean(buy$월수입) ) / sd(buy$월수입)

test (나이:44, 월급:400) 인 데이터를 KNN으로 돌려서 상품을 구매할지 안할지 출력하시오

a<-knn(buy[,c(4,5)], test,buy[,3], k=3,prob=TRUE)

buy <- read.csv("buy.csv" , stringsAsFactors = F , header = T)
buy

buy$age <- scale(buy$나이)
buy$pay <- scale(buy$월수입)
buy

test <- data.frame(age=44 , pay=400)

train <- buy[,c(4,5)]
labels <- buy[,3]
train

test$age <- scale(test$age)

test$pay <- scale(test$pay)

library(class)

knnpred1 <- knn(train , test , labels , k=5 , prob=TRUE)
knnpred2 <- knn(train , test , labels , k=6 , prob=TRUE)

knnpred1;knnpred2

문제189. buy 데이터 프레임에 라벨이 없는 44세의 월급 400만원 데이터를 넣고 다시 scale함수를 돌려서 나이와 월급을 정규화 하고 훈련 데이터와 테스트 데이터를 나눠서 knn 함수로 테스트 데이터의 라벨을 알아내시오 .

strip.white=T(공백을 제거해라 )

buy <- read.csv("buy.csv" , stringsAsFactors = F , header = T,strip.white=T )

buy<-rbind(buy,c(44,400,"")

buy$age <- scale(buy$나이)

buy$pay <- scale(buy$월수입)

train <- buy[c(1:20),c(4,5)]

labels <- na.omit(buy[c(1:20) ,3])

knn1 <- knn(train , buy[21,c(1:2)] , labels , k=5 , prob=TRUE)

knn1

buy <- read.csv("buy.csv" , stringsAsFactors = F , header = T,
strip.white=T)

buy2 <- rbind( buy, c(44,400,""))

buy2$나이 <- as.integer(buy2$나이)
buy2$월수입 <- as.integer(buy2$월수입)

buy2$나이 <- scale(buy2$나이)
buy2$월수입 <- scale(buy2$월수입)

train <- buy2[1:20,c("나이","월수입")]
train_label <- buy2[1:20,"상품구매여부"]
test <- buy2[21,c("나이","월수입")]

library(class)
knnpred3 <- knn(train, test, train_label, k=5, prob=T)

knnpred3

▩ 5. knn(k-Nearest Neighbors)의 분류 실습2(과일 데이터)

knn(k-Nearest Neighbors)은 한국어서 k 근접 이웃이라고 한다.

머신러닝의 분류에 쓰이는 대표적이면서 간단한 알고리즘이다.

사용되는곳: 얼굴인식, 개인영화 추천, 단백질 및 질병 추출을 위한 유전자 데이터 패턴 식별등에 활용이된다.

문제190. 책 104쪽에 나오는 x축 단맛, y축 아삭거림에 대한 과일, 야채 단백질을 분류하는 그래프를 그리시오

■ 책 103쪽에 나온 그래프를 그릴려면 ?

#1. food 데이터 프레임을 만든다.

food <- data.frame(ingredient = c("apple", "bacon", "banana", "carrot",

"celery", "cheese", "cucumber", "fish",

"grape", "green bean", "lettuce",

"nuts", "orange", "pear","shrimp"

sweetness = c(10,1,10,7,3,1,2,3,8,3,1,3,7,10,2),

crunchiness = c(9,4,1,10,10,1,8,1,5,7,9,6,3,7,3),

class = c("Fruits","Proteins","Fruits","Vegetables",

"Vegetables","Proteins","Vegetables",

"Proteins","Fruits","Vegetables",

"Vegetables","Proteins","Fruits",

"Fruits","Proteins"))

food

#2. 토마토 데이터 만들기

tomato <- data.frame(ingredient = "tomato",

sweetness = 6,

crunchiness = 4)

tomato

#3. ggplot2 그래프로 plot 그래프를 그린다.

install.packages("ggplot2")

library(ggplot2)

# par : 파라미터 지정 / pty : plot모형을 "square" 정사각형

par(pty="s")

# 그래프 그리기(version : ggplot)

#par:파라미터/xpd:모형옮기기/mar:여백설정(아래,왼쪽,위,오른쪽)

par(xpd=T, mar=par()$mar+c(0,0,0,15))

plot(food$sweetness,food$crunchiness,

pch=as.integer(food$class),

#pch=food$class, # pch는 모형 지정

xlab = "sweetness", ylab = "crunchiness",

main = "What is tomato class?")

legend(10.5,10, # legend 위치 지정

c("Fruits", "Proteins", "Vegetables", "X"),

pch=as.integer(food$class))

text(food$sweetness, food$crunchiness,

labels=food$ingredient,

pos = 3, # 글자위치position(1:below/2:left/3:above/4:right)

offset = 0.3, # 좌표와 얼마나 띄어쓰기 할것인지

cex = 0.7 ) # 문자크기

# 그래프 그리기(version : ggplot2)

ggplot(data=food,aes(x=sweetness,y=crunchiness))+

labs(title="What is tomato class?")+ # 타이틀 명

geom_point(aes(color=class, shape=class),size=6)+

geom_text(aes(label=ingredient), # 라벨링 표시

vjust=-1, # 수직으로 움직일 거리 (위는 -, 아래는 +)

size = 5) # 문자크기

문제191. 토마토가 야채, 과일, 단백질 중에 어느 분류에 속하는지 knn알고리즘으로 알아내시오

답 :

install.packages("dplyr")

library(class)

library(dplyr)

tmt <- knn(select(food,sweetness,crunchiness), select(tomato,sweetness,crunchiness),food$class,k=2)

tmt

토마토의 최근접 이웃을 구하기 위해서는 거리함수나 두 인스턴스 사이의 유사도를 측정하는 공식이 필요하다

거리를 계산하는데는 다양한 방법이 있는데 knn 은 유클리드 거리를 사용한다.

예 : 토마토와 green bean과의 거리

dist("pear","green bean") = sqrt( (6-3)^2 + (4-7)^2 ) = 4.2

문제192. 토마도와 orange와의 유클리드 거리를 구하시오

sqrt( (7-6)^2 + (3-4)^2) ) = 1.414214

▩ 6. 적당한 k 값 선택

적당한 k 값을 선택해야 하는데 k 값이 너무 낮으면 오버피팅 하게된다

즉 훈련데이터로 인해 만든 모델이 훈련 데이터에만 맞고 다른 데이터를

분류를 잘 못한다.

k 값이 너무 높으면 언더피팅을 하게 된다.

훈련 데이터 조차도 분류를 잘 못한다 .

예: k 값에 따른 분류 시각화 작업

■ 구현 코드

install.packages("readr")

install.packages("ElemStatLearn")

install.packages("class")

library(readr)

#1.과적합에 대하여.

library(ElemStatLearn)

library(class)

x <- mixture.example$x

g <- mixture.example$y

xnew <- mixture.example$xnew

xnew

#k=1, 10 , 30 , 50 , 100, 1000

#k값이 지나치게 작을 때: 분류 경계선이 너무 디테일 하다. : 과적합

#k값이 지나치게 클 때 분류 경계선이 너무 크다 : 부적합

#knn(train, test, cl, k =1, l = 0, prob = FALSE, use.all = TRUE)

mod1 <- knn(x, xnew, g, k=1, prob=TRUE)

mod1

prob1 <- attr(mod1, "prob")

prob1

prob1 <- ifelse(mod1=="1", prob1, 1-prob1)

prob1

px1 <- mixture.example$px1

px2 <- mixture.example$px2

prob1 <- matrix(prob1, length(px1), length(px2))

par(mar=rep(2,4))

#윤곽선

contour(px1, px2, prob1, levels=0.5,

labels="", xlab="", ylab="", main= "k-nearest neighbour", axes=FALSE)

points(x, col=ifelse(g==1, "coral", "cornflowerblue"))

gd <- expand.grid(x=px1, y=px2)

#배경

points(gd, pch=".", cex=1.2, col=ifelse(prob1>0.5, "coral", "cornflowerblue"))

box()

▩ 7. knn (k-nearest neighbors)

▩ 7. knn (k-nearest neighbors) 의 분류 실습1(유방암 데이터)

##### 3장 : 최근접 이웃(Nearest Neighbors)을 사용한 분류(Classification)  --------------------

## 예제 : 암 샘플 분류 ----
## 단계 2 : 데이터 준비와 살펴보기 ----

# CSV 파일 임포트
wbcd <- read.csv("wisc_bc_data.csv", stringsAsFactors = FALSE)

# wbcd 데이터 프레임의 구조
str(wbcd)
head(wbcd)
# id 속성 제거
wbcd <- wbcd[-1]

# 진단 테이블
table(wbcd$diagnosis)

# 팩터로서 진단 변수 변환
wbcd$diagnosis <- factor(wbcd$diagnosis, levels = c("B", "M"),
                         labels = c("Benign", "Malignant"))
head(wbcd)
# 진단 변수의 비율
round(prop.table(table(wbcd$diagnosis)) * 100, digits = 1)

# 세 속성에 대한 요약
summary(wbcd[c("radius_mean", "area_mean", "smoothness_mean")])

# 정규화 함수
normalize <- function(x) {
  return ((x - min(x)) / (max(x) - min(x)))
}

# 정규화 함수 테스트 - 결과는 일치함
normalize(c(1, 2, 3, 4, 5))
normalize(c(10, 20, 30, 40, 50))

# wbcd 데이터 정규화
wbcd_n <- as.data.frame(lapply(wbcd[2:31], normalize))

head(wbcd)
head(wbcd_n)

# 정규화가 잘 되었는지 확인 # 모든 컬럼의 값을 0~1 사이의 값으로 변경해줌
summary(wbcd_n$area_mean)
summary(wbcd_n$concavity_worst)

# 훈련 데이터와 테스트 데이터 생성 # 둘다 라벨이 없는 데이터 이다.
wbcd_train <- wbcd_n[1:469, ]
wbcd_test <- wbcd_n[470:569, ]


str(wbcd)
str(wbcd_train)

# 훈련 데이터와 테스트 데이터에 대한 라벨 생성

wbcd_train_labels <- wbcd[1:469, 1]
wbcd_test_labels <- wbcd[470:569, 1]

## 3단계 : 데이터로 모델 훈련 ----

# "class" 라이브러리 로드
library(class)

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=21)

## 4 단계 : 모델 성능 평가 ----

# "gmodels" 라이브러리 로드
library(gmodels)

# 예측값과 실제값의 교차표 생성
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred,  prop.chisq=FALSE)


실제/모델      B(양성)      M(악성)
B(양성)       61(TN)      0(FP)
M(악성)        2(FN)     37(TP)

#
#
TRUE NEGATIVE 
FALSE POSITIVE
FALSE NEGATIVE
TRUE POSITIVE
## 5 단계 : 모델 성능 향상 ----

# 데이터 프레임를 z-score 표준화하기 위해 scale() 함수 사용
wbcd_z <- as.data.frame(scale(wbcd[-1]))

# 변환이 정확하게 적용되었는지 확인
summary(wbcd_z$area_mean)

# 훈련과 테스트 데이터셋 생성
wbcd_train <- wbcd_z[1:469, ]
wbcd_test <- wbcd_z[470:569, ]

# 변경한 데이터로 분류
wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test,
                      cl = wbcd_train_labels, k=21)

# 예측값과 실제값의 교차표 생성
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred,
           prop.chisq=FALSE)

# 다른 k 값으로 분류
wbcd_train <- wbcd_n[1:469, ]
wbcd_test <- wbcd_n[470:569, ]

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=1)
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred, prop.chisq=FALSE)

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=5)
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred, prop.chisq=FALSE)

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=11)
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred, prop.chisq=FALSE)

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=15)
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred, prop.chisq=FALSE)

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=21)
CrossTable(x = wbcd_test_labels, y = wbcd_test_pred, prop.chisq=FALSE)

wbcd <- read.csv("wisc_bc_data.csv", stringsAsFactors = FALSE)

> nrow(wbcd)

[1] 569

569 건의 유방암 환자 데이터를 둘로 나눈다.

2/3 훈련 데이터 + 악성인지 양성인지를 구분하는 라벨

1/3 테스트 데이터 + 악성인지 양성인지를 구분하는 라벨을 빼고

훈련 데이터로 그 라벨을 알아내는 작업을 수행

knn (훈련 데이터 , 테스트 데이터 , 훈련 데이터 라벨, k=1)

설명 : B (양성) : 357명 , M(악성) : 212명

wbcd$diagnosis <- factor(wbcd$diagnosis, levels = c("B", "M"), labels = c("Benign", "Malignant"))

설명 : B와 M 을 Benign, Malignant 철자로 변환해서 저장함

정규화 하는 방법에는 2가지가 잇는데

1.표준정규분포 : scale() 함수를 사용한 변환

2.최대최소변환 : 책 115페이지 (아래 코드) 의 normalize 함수

(신경망에서 많이 사용됨)

# wbcd 데이터 정규화

wbcd_n <- as.data.frame(lapply(wbcd[2:31], normalize))

head(wbcd)

head(wbcd_n)

문제193. 실제 테스트 데이터의 라벨 (wbcd_test_labels )와

knn으로 예측한 라벨인(wbcd_test_pred) 를 비교해서 얼마나 일치했는지 확인하시오 !

data.table(wbcd_test_labels,wbcd_test_pred,mean(as.numeric(wbcd_test_labels ==wbcd_test_pred )),as.numeric(wbcd_test_labels ==wbcd_test_pred ) )

wbcd_test_pred <- knn(train = wbcd_train, test = wbcd_test, cl = wbcd_train_labels, k=7)