Лабораторная работа №7: Введение в ML. Классификация с KNN

Цель: Построить свой первый полноценный пайплайн машинного обучения: от разделения данных до оценки качества модели. Мы решим задачу бинарной классификации, используя алгоритм k-ближайших соседей (KNN), и научимся выбирать правильные метрики, когда Accuracy врет.

Инструменты:

• sklearn.model_selection: для разделения данных.
• sklearn.preprocessing: для масштабирования (StandardScaler).
• sklearn.neighbors: сама модель KNN.
• sklearn.metrics: инструменты оценки.

Данные: Мы будем работать с классическим датасетом Breast Cancer Wisconsin (Рак груди).

• Признаки (X): Характеристики клеточного ядра (радиус, текстура, периметр и т.д.).
• Целевая переменная (y): Диагноз (0 = Malignant/Злокачественная, 1 = Benign/Доброкачественная).
  • Примечание: В sklearn часто 0 - это Malignant, но всегда лучше проверять target_names.

Часть 1: Подготовка данных и Train/Test Split

Модели нельзя давать “подглядывать” в ответы теста.

import pandas as pd
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

# Загрузка
data = load_breast_cancer()
X = pd.DataFrame(data.data, columns=data.feature_names)
y = pd.Series(data.target, name='target')

# Выводим имена классов (чтобы не запутаться)
print(f"Имена классов: {data.target_names}")
# Обычно в этом датасете: 0 - Malignant (Плохо), 1 - Benign (Хорошо)

# TODO: Выведите баланс классов (value_counts для y)
# class_balance = ...
# print(f"Баланс классов:\n{class_balance}")

from sklearn.model_selection import train_test_split

# TODO: Разделите данные
# X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(...)

# print(f"Размер Train: {X_train.shape}")
# print(f"Размер Test: {X_test.shape}")

Часть 2: Масштабирование (Scaling) — Критически важно для KNN

KNN измеряет расстояния. Если один признак изменяется в пределах [0, 0.1], а другой [0, 1000], второй будет полностью доминировать. Нужно привести их к одному масштабу.

Задание 2.1: StandardScaler

1. Создайте объект StandardScaler.
2. Обучите его на X_train и трансформируйте X_train.
3. Трансформируйте X_test (без обучения!).

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

scaler = StandardScaler()

# TODO: Обучите scaler на train и преобразуйте train
# X_train_scaled = scaler.fit_transform(...)

# TODO: Только преобразуйте test (используйте transform)
# X_test_scaled = scaler.transform(...)

# Проверка: среднее должно быть ~0, стд ~1
# print("Train Mean (первые 5 признаков):", X_train_scaled[:, :5].mean(axis=0))

Часть 3: Обучение и Предсказание

Задание 3.1: KNN Classifier

1. Импортируйте KNeighborsClassifier.
2. Создайте модель с n_neighbors=5.
3. Обучите (fit) на масштабированных данных.
4. Сделайте предсказание (predict) для теста.

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

# TODO: Создайте и обучите модель
# knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
# knn.fit(..., ...)

# TODO: Получите предсказания для теста
# y_pred = knn.predict(...)

Часть 4: Оценка качества (Evaluation)

Мы диагностируем рак.

Примечание: В sklearn датасете 0 = Malignant (Злокачественная). Чтобы метрики считались корректно для “Болезни” (класса 0), можно либо инвертировать метки, либо смотреть внимательно на отчет. В classification_report мы увидим метрики для каждого класса.

Задание 4.1: Матрица ошибок и Метрики

1. Постройте Confusion Matrix (тепловую карту).
2. Выведите classification_report.
3. Посчитайте accuracy_score.

from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report, accuracy_score

# TODO: Постройте матрицу ошибок
# cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)

# Визуализация
# plt.figure(figsize=(6, 5))
# sns.heatmap(cm, annot=True, fmt='d', cmap='Blues', xticklabels=data.target_names, yticklabels=data.target_names)
# plt.ylabel('Истинный класс')
# plt.xlabel('Предсказанный класс')
# plt.title('Матрица ошибок')
# plt.show()

# TODO: Выведите текстовый отчет
# print(classification_report(y_test, y_pred, target_names=data.target_names))

# Вопрос: Каков Recall для класса 'malignant'? Много ли опасных случаев мы пропустили?

Часть 5 (Бонус): Поиск лучшего K

Как выбрать n_neighbors? Давайте переберем значения от 1 до 20 и посмотрим, как меняется ошибка.

Задание 5.1: Цикл обучения

1. Запустите цикл k от 1 до 20.
2. В каждой итерации обучайте KNN, делайте предсказание и сохраняйте accuracy (или F1) в список.
3. Постройте график зависимости метрики от K.

scores = []
k_range = range(1, 21)

# TODO: Напишите цикл
# for k in k_range:
#     knn_temp = KNeighborsClassifier(n_neighbors=k)
#     knn_temp.fit(X_train_scaled, y_train)
#     scores.append(knn_temp.score(X_test_scaled, y_test))

# plt.figure(figsize=(10, 6))
# plt.plot(k_range, scores, marker='o')
# plt.xlabel('Value of K')
# plt.ylabel('Testing Accuracy')
# plt.grid()
# plt.show()

# Какое K выглядит оптимальным (где график выходит на плато или имеет пик)?

🧠 Проверка знаний