Écrire un algorithme qui prédit la classe d’un élément en fonction de la classe majoritaire de ses k plus proches voisins.
Il s’agit d’un exemple d’algorithme d’apprentissage.
Dans ce chapitre nous abordons un algorithme dit d’apprentissage automatique qui permet à un programme d’apprendre à classer des « objets » en utilisant un jeu de données pour qu’il y trouve des similarités. Il s’agit d’un algorithme simple de « machine learning » un sujet très en vogue à l’heure actuelle dans le domaine de l’informatique.
À l’heure actuelle, l’intelligence artificielle se base souvent sur l’utilisation de données annotées que l’on fournit à l’ordinateur pour qu’il y trouve des similarités(c’est ce que l’on appelle de l’apprentissage supervisé).
On peut fournir à un programme une grande quantité d’écritures de chiffres.
Le programme va lire toutes les données, et grâce à des algorithmes plus ou moins évolués, le programme va trouver les points communs entre les chiffres représentant le même nombre.
Ensuite, on peut donner au programme une image non annotée, et il nous dira s’il s’agit d’un 1, d’un 6 ou d’un 8…
C’est un système qui est utilisé depuis des années pour la lecture des codes postaux sur les lettres avec une efficacité supérieure à 99%.
1.2 Principe l’algorithme des k plus proches voisins
On dispose d’une collection de données annotées, et on veut savoir à quelle catégorie appartient un nouvel échantillon. Il s’agit d’un problème de classification.
Imaginons… On étudie des papillons. Ceux-ci ont une certaine largeur et une certaine longueur. Certains sont des males, d’autres des femelles.
On étudie un certain nombre de ces papillons. Cela constitue un jeu d’apprentissage dont les caractéristiques sont représentées ci-dessous.
A partir de ce jeu d’apprentissage, on cherche à prédire le sexe d’un papillon dont on connaît les dimensions.
Classification des papillons
L’objectif est maintenant d’identifier le sexe d’un nouveau papillon en s’appuyant sur notre expérience précédente.
Le principe est simple : On fait l’hypothèse que notre papillon a le même sexe que ces voisins.
On voit par exemple que le voisin le plus proche est un paillon mâle:
k=1
Cependant, la particularité de l’algorithme des k plus proches voisins est le fait que l’on puisse choisir , le nombre de plus proches voisins nous permettant de faire notre choix, on va prendre plusieurs voisins pour éviter de se baser que sur une observation pour notre choix.
Voici par exemple l’application pour :
k=5
Application: Influence du nombre de voisins
En utilisant ce fichier geogebra montrer comment le choix de a une influence sur la prévision de la méthode.
2 Implémentation naïve en Python
Le code qui suit utilise des méthodes de pandasmatplotlib et numpy non vues, il n’est pas nécessaire de savoir le refaire, par contre en utilisant les commentaires vous pouvez voir comment est effectuée la classification dans cette implémentation.
2.1 Classification d’élèves en conseil de classe
Nous allons utiliser un fichier csv qui contient les moyennes, absences et mentions d’élèves de lycée.
Vous pouvez visualiser ce fichier ici: https://framagit.org/lyceum/k-plus-proches-voisins/blob/master/data/mentions-anonymised.csv
À partir de ce fichier de données l’algorithme sera capable de vous indiquer quelle sera votre mention (Félicitations, compliments…) en fonction de notre moyenne générale et notre nombre d’absences.
2.2 Tracé de la classification
Commençons par observer l’ensemble des données sous forme graphique pour se faire une idée.
%matplotlib inlineimport pandas as pdimport matplotlib.pyplot as pltimport numpy as np# Lecture des données du conseil de classe df = pd.read_csv('./data/mentions-anonymised.csv')# On affiche 3 échantillons du tableaudf.sample(3)
Mentions
1/2j abs
Rang
Moyenne Générale
PHILOSOPHIE
HISTOIRE-GEOGRAPHIE
MATHEMATIQUES
PHYSIQUE-CHIMIE
SCIENCES VIE & TERRE
ED.PHYSIQUE & SPORT.
...
ESPAGNOL LV2
ITALIEN LV2
JAPONAIS LV2
SPECIALITE SVT
SPECIALITE PHYS
NISSART LV3
SPECIALITE MATHS
SPECIALITE ISN
arts fac
ENS. MORAL & CIVIQUE
61
Encouragements
6.0
21.0
12.2
12.3
14
11.1
10.0
14.4
14.0
...
NaN
16.5
NaN
11
NaN
14.4
NaN
NaN
NaN
NaN
18
Félicitations
3.0
7.0
15.4
13.7
17.5
15.2
16.0
16.4
15.0
...
NaN
NaN
NaN
NaN
15.3
NaN
NaN
NaN
NaN
NaN
14
Félicitations
16.0
5.0
17.1
13.0
18
17.8
16.0
18.8
17.0
...
NaN
NaN
NaN
NaN
NaN
NaN
18.4
NaN
NaN
NaN
3 rows × 22 columns
# on ne conserve que 3 colonnes pour cette étude simplifiéedf = df.loc[:, ['Moyenne Générale', '1/2j abs', 'Mentions']]df
On voit bien le groupe des Félicitations se dégager avec des hautes notes et peu d’absences, ainsi que le groupe Pas de mention pour les absentéistes. Par contre, la zone basse du graphique présente de nombreux points de diverses mentions proches.
2.3 Implémentation de l’algorithme
Nous allons maintenant définir la fonction qui à partie de la moyenne et des absences données en argument renverra la mention des k plus proches voisins(par défaut: 3).
def k_plus_proches_voisins(moyenne, absences, k=3):"""Renvoie la classe des k plus proches voisins Entrée: moyenne: moyenne de l'élève absences: nb de 1/2j d'absences lors du trimestre k: nombre de voisins les plus proches à utiliser(par défaut 3) Sortie: renvoie les classe la plus probable des k plus porches voisins"""# on commence par afficher notre point sur un graphique plt.scatter(absences, moyenne, label="Elève étudié", marker="P")# on crée une liste pour stocker les distances euclidiennes df['distance'] = df.apply(lambda row: ((row["Moyenne Générale"] - moyenne)**2+ (row["1/2j abs"] - absences)**2)**0.5, axis=1)# On affiche les trois plus courtes distances df_voisins = df.iloc[df.distance.sort_values().index[:k]]print(df_voisins)# on les marque sur le graph plt.scatter(df_voisins["1/2j abs"], df_voisins["Moyenne Générale"], label="Plus proches voisins", marker="*")# On ajoute tous les autres points tracé_graph()return df_voisins["Mentions"].value_counts().nlargest(1)
2.4 Appels de la fonction
k_plus_proches_voisins(12.5, 10)
>>sortie
Moyenne Générale 1/2j abs Mentions distance
32 12.3 11.0 Compliments 1.019804
62 11.6 9.0 Pas de mention 1.345362
66 11.4 9.0 Pas de mention 1.486607
Mentions
Pas de mention 2
Name: count, dtype: int64
On observe donc que l’élève n’aurait pas de mention malgré ses 12.5 de moyenne, Voyons ce qu’il en est si on réduit le nombre d’absences à 5.
Vous pouvez soit télécharger le dossier pour travailler sur le code sur votre machine si vous avez installé python et anconda chez vous.
Vous pouvez sinon travailler en ligne en lançant un environnement .
Application: L’algorithme est-il efficace?
Reprendre vos bulletins de lycée pour vérifier si la prévision faite à partir de votre moyenne générale et de votre nombre de jours d’absences est conforme au résultat obtenu.
Vous pouvez éventuellement changer la valeur de pour améliorer les prédictions.
Pour conclure: Que diriez-vous de cette méthode? Peut-on vraiment qualifier cet algorithme d’intelligence artificielle? Voyez-vous des dangers à la prise de décisions par des algorithmes?
3 Notes sur l’algorithme
Cet algorithme(brute-force) est peu efficace avec une complexité de (voir doc sklearn).
D’autre part, il serait bon de mettre à l’échelle les données utilisées, car on voit bien que l’échelle des absences est trois fois plus grande que les moyennes, et ainsi a une importance accrue dans le calcul de la distance des voisins.
Cours de Nadja Rebinguet duquel est extrait l’exemple des papillons: https://nadjarebinguet.wordpress.com/2020/03/20/algorithme-des-k-plus-proches-voisins/
