统计学习方法:核函数(Kernel function)
作者:桂。
时间:2017-04-26 12:17:42
链接:http://www.cnblogs.com/xingshansi/p/6767980.html

前言
之前分析的感知机、主成分分析(Principle component analysis, PCA)包括后面看的支撑向量机(Support vector machines, SVM),都有用到核函数。核函数是将信号映射到高维,而PCA一般用来降维。这里简单梳理一下核函数的知识:
1)核函数基本概念;
2)核函数的意义;
内容为自己的学习记录,其中多有参考他人,最后一并给出链接。
一、核函数基本概念
先来看看核函数的定义:
核函数:是映射关系
的内积,映射函数本身仅仅是一种映射关系,并没有增加维度的特性,不过可以利用核函数的特性,构造可以增加维度的核函数,这通常是我们希望的。
例如这样一个图:

二维映射到三维,区分就更容易了,这是聚类、分类常用核函数的原因。为什么PCA这样一个降维算法也用核函数呢?
左图为原数据,右图为映射到三维的数据,可以看出:同样是降到1维,先通过Kernel映射到(Kernel是映射的内积,不要弄乱了)三维,再投影到1维,就容易分离开,这就是Kernel在PCA降维中的应用,本质还是对原有数据增加维度。

既然核函数这么神奇,就看看它的来龙去脉。
二、核函数的意义
A-核函数常见应用
先来看看核函数几个常用的地方:
1.核感知机
在前面分析感知机时提到:

2.核聚类(Kernel Kmeans)
在前面分析核聚类时提到:

3.核PCA(kernel PCA)
具体定义可以参考wikipedia,根据前文分析的PCA步骤,有一步是利用相关矩阵的特征值分解,看看相关矩阵:

又看到了相乘的形式,自然可以用Kernel:

4.支撑向量机SVM
支撑向量机对偶形式的目标函数:

又看到了
的形式,从而得到SVM的核函数形式:

B-核函数为什么可以映射到高维?
1.为什么不用映射函数
,而用他们的内积形式,即Kernel函数?
因为(x,z)一起出现的时候,
有许多固定的形式可以调用,而不必求解或者关心
的具体形式,这大大简化了求解。
2.什么样的函数才可以叫做核函数?
直接给出条件:
具体参考:李航《统计学习方法》p120~122。
3.为什么实现数据映射到高维?
看一个例子:
这就从二维变成了三维,当然还可以更高维:
这里可以粗略理解成:多项式可以实现数据的维度扩增,而高斯核是指数形式,展开就是无穷多的多项式,所以高斯核可以将数据映射到无穷维度。
4.常用核函数
多项式核:

高斯核:

参考:
- 李航《统计学习方法》
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