支持向量机之Hinge Loss 解释

Hinge Loss 解释

SVM 求解使通过建立二次规划原始问题，引入拉格朗日乘子法，然后转换成对偶的形式去求解，这是一种理论非常充实的解法。这里换一种角度来思考，在机器学习领域，一般的做法是经验风险最小化 ERM ，即构建假设函数为输入输出间的映射，然后采用损失函数来衡量模型的优劣。求得使损失最小化的模型即为最优的假设函数，采用不同的损失函数也会得到不同的机器学习算法，比如这里的主题 SVM 采用的是 Hinge Loss ，Logistic Regression 采用的则是负 $\log$ 损失，

\[L(Y,P(Y|X)) = - \log P(Y|X)\]

从二项分布的角度来考虑 Logistic 回归：

\begin{aligned}
P(Y=1|X) &= \frac{1}{1 + e^{- \theta x}}\\
P(Y=0|X) &= 1- P(Y=1|X)
\end{aligned}

这里另 $z = \theta^Tx$ ,  $\delta$ 为 sigmod 映射，则：

\[E(z) = - \log (\delta(z)) \]

$E(z)$ 的图形如下图的红色曲线，可见 $z$ 越接近 1 ， $E(z)$ 的取值越小，即损失越小。反之另：

\[E(z) = 1- \log (\delta(z)) \]

此时得到的图像应该为关于 $E(z)$ 对称的红色的线（没画出），此时 $z$ 越接近 -1，$E(z)$ 的取值越小，即损失越小。

注： 图中绿色的线为 square loss ，蓝色的线为 hinge loss， 红的的线为负 log 损失。
2.1 二分类问题

给定数据集  $T = \left \{ (x_i,y_i)\right \}_{i=1}^N $ ， 要用这些数据做一个线性分类器，即求得最优分离超平面 $w\cdot x + b = 0$ 来将样本分为正负两类，给定数据集后只需求得最优的参数  $w , b$ 即可，为了解决这个问题，首先做出如下线性映射函数

\[y = w \cdot x + b\]

根据经验风险最小化原则， 这里引入二分类的 Hinge Loss :

\[max(0, 1- y_i(w \cdot x_i + b))\]

上图中对应的 $E(z) = max(0,1-z)$ ，所以SVM可以通过直接最小化如下损失函数二求得最优的分离超平面：

\[ \min_{w,b} \sum_{i=1}^N max(0, 1- y_i(w \cdot x_i + b)) + \lambda ||w||^2 \]

2.2 多分类问题

对于多分类问题，现在要用这些数据做一个 k 类的线性分类器 ,现在需要优化的参数变为 $W ,b$ ， 此时的 $W \in \mathbb{R} ^{k \times n}$，为一个 $k \times n$ 的矩阵，$b \in \mathbb{R}^k$ 为一个向量，现在的映射关系如下 ：$s =W x_i +b$，此时有 $s \in \mathbb{R}^k$  ，$s$ 中的每个分量代表分类器在该类别的得分，样本 $x_i$ 的标签  $y_i \in \mathbb{R}^k$ , 这里若 $x_i$ 属于类别 $k$ ，则 $y_i$ 中除了第 $k$ 个分量外其余元素全为 0 ，比如 5 分类问题， $x_i$  属于第 3 类，则有  $y_i = [0,0,1,0,0]$  , 用 $s_j$ 表示得分向量 $s$ 中的第 $j$ 个分量 ， $s_{y_i}$ 表示对应 $y_i = 1$ 的分量，则单个样本多分类的Hinge Loss可表示为：

\[\sum_{j \ne y_i} max(0,s_j - s_{y_i} + 1)\]，

所以 $k$ 分类线性分类SVM 的 Hinge Loss表示为：

\[\min_{W,b} \sum_{i=1}^N\sum_{j \ne y_i} max(0,s_j - s_{y_i} + 1) + \lambda \sum_k \sum_nW_{k,n}^2\]