吴恩达老师机器学习课程chapter06——支持向量机与核函数
吴恩达老师机器学习课程chapter06——支持向量机与核函数
本文是非计算机专业新手的自学笔记,高手勿喷。
本文仅作速查备忘之用,对应吴恩达(AndrewNg)老师的机器学期课程第十二章。
支持向量机(support vector machine)是一种二类分类模型,其基本模型是在特征空间上的间隔最大的线性分类器,SVM的学习策略就是间隔最大化,又叫做大间距分类器。
和前面的内容一样,本章缺少更多数学推导,可做入门了解。
支持向量机
想要间隔最大化,我们希望有以下关系:
- 当y=1时,希望$h_{\theta}(x) \approx 1, \theta^Tx\gg 0 $
- 当y=0时,希望\(h_{\theta}(x) \approx 0, \theta^Tx\ll 0\)
可以用这种近似关系构建新的Cost函数得到新的J(θ):

支持向量机的假设模型与J(θ):
1 & \text { if } \theta^{T} x \geqslant 0 \\
0 & \text { otherwise }
\end{array}\right.
\]
\]
- 当y=1时,希望 $\theta^Tx > 1 $
- 当y=0时,希望 \(\theta^Tx< -1\)
C很大时,对于判断错误的惩罚就很大,以至于:
\]
向量内积的几何意义:

这里暂时没有给出严格证明。
但通过几何意义,可以直观感受SVM为什么能够使得间距最大。举例如下,考虑情况:\(θ_0\)=0,n=2,:


本例当中,坐标轴中,向量 \(\theta\) (图中蓝线)与 直线 \(θ^Tx=0\)(图中绿线)垂直。
各样本\(x^{(i)}\)在向量 \(θ\) 上的投影为 \(p^{(i)}\)(图中红线)。
化使得\(\|\theta\|\)很小,那么\(p^{(i)}\)就变大,从而形成大间隔。
核函数(kernels)
对于非线性分类,其边界可能比较复杂,那么特征就比较多,假设模型就会比较复杂。
可以通过核函数,将输入空间映射到高维特征空间,不用计算复杂的非线性边界,使用线性平面就能获得完成分类。
选择一些标记点(landmark),记作\(l^{(i)}\);并选择如下的函数作为核函数,记作\(f_i=similarity(x,l^{(i)})\),也被称为高斯核函数(gaussian kernel):



可以很清楚的看到,该核函数将二维平面中的点映射到了三维空间中。其中 $ \sigma ^{2} $ 越大,similarity函数越平整;反之越尖锐。在新的三维空间中,可以通过三维平面\(\theta_{0}+\theta_{1} f_{1}+\theta_{2} f_{2}+\theta_{3} f_{3}=0\)进行分类。
举例如下:

SVM与核函数的结合
已知有样本m个,特征n个,选择这m个样本\(x^{(i)}\)作为标记点\(l^{(i)}\)。
将1样本\(x^{(i)}\)和n个标记点\(l^{(i)}\)依次比较相似度,即计算\(f_i=similarity(x^{(i)},l^{(i)})\),并每一次比较结果作为一个新特征,将其组成一个新的向量 f。和x向量中添加\(x_0\)对应的,在f中添加\(f_0 =1(1与1的相似度为1)\)。

其本质,是从原本的n+1维的特征的向量 x 转化为了 m+1维的新特征的向量 f。
这时候,最优问题也转变为了 f 的最优问题:
\left(1-y^{(i)}\right) \operatorname{cost}_{0}\left(\theta^{T} f^{(i)}\right)
+\frac{1}{2} \sum_{j=1}^{m} \theta_{j}^{2}
\]
同样的,\(theta_0\)不参与正则化。(吴老师ppt上的公式正则项求和符号上方有误)
接下来再用支持向量机的思路解决这个分类问题即可。
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