Ng第十二课：支持向量机(Support Vector Machines)（三）

11 SMO优化算法（Sequential minimal optimization）

SMO算法由Microsoft Research的John C. Platt在1998年提出，并成为最快的二次规划优化算法，特别针对线性SVM和数据稀疏时性能更优。关于SMO最好的资料就是他本人写的《Sequential Minimal Optimization A Fast Algorithm for Training Support Vector Machines》。

首先回到前面一直悬而未解的问题，对偶函数最后的优化问题：

要解决的是在参数上求最大值W的问题，至于和都是已知数。C由我们预先设定，也是已知数。

按照坐标上升的思路，首先固定除以外的所有参数，然后在上求极值。等一下，这个思路有问题，因为如果固定以外的所有参数，那么将不再是变量（最大值W确定其他所有值也确定）。因为问题中规定了（如果其他值是定量那么a1y⁽¹⁾出来的结果也是定量）

因此，需要一次选取两个参数做优化，比如和，此时可以由和其他参数表示出来。这样回带到W中，W就只是关于的函数了，可解。

这样，SMO的主要步骤如下：

意思是，第一步选取一对和，选取方法使用启发式方法（后面讲）。第二步，固定除和之外的其他参数，确定W极值条件下的，由表示。

SMO之所以高效就是因为在固定其他参数后，对一个参数优化过程很高效。

下面讨论具体方法：

假设我们选取了初始值满足了问题中的约束条件（用了启发式方法）。接下来，住固定，这样W就是和的函数。并且和满足条件：

由于都是已知固定值，因此为了方面，可将等式右边标记成实数值。

当和异号时，也就是一个为1，一个为-1时，他们可以表示成一条直线，斜率为1。如下图：

横轴是，纵轴是，和既要在矩形方框内，也要在直线上，因此

，

同理，当和同号时，

，

然后将用表示：

然后反代入W中，得

展开后W可以表示成。其中a,b,c是固定值。这样，通过对W进行求导可以得到，然而要保证满足，我们使用表示求导求出来的，然而最后的，要根据下面情况得到：

这样得到后，我们可以得到的新值。

12 SMO中拉格朗日乘子的启发式选择方法

所谓的启发式选择方法主要思想是每次选择拉格朗日乘子的时候，优先选择样本前面系数的作优化，因为在界上（为0或C）的样例对应的系数一般不会更改。

这条启发式搜索方法是选择第一个拉格朗日乘子用的，比如前面的。那么这样选择的话，是否最后会收敛。可幸的是Osuna定理告诉我们只要选择出来的两个中有一个违背了KKT条件，那么目标函数在一步迭代后值会减小。违背KKT条件不代表，在界上也有可能会违背。是的，因此在给定初始值=0后，先对所有样例进行循环，循环中碰到违背KKT条件的（不管界上还是界内）都进行迭代更新。等这轮过后，如果没有收敛，第二轮就只针对的样例进行迭代更新。

在第一个乘子选择后，第二个乘子也使用启发式方法选择，第二个乘子的迭代步长大致正比于，选择第二个乘子能够最大化。即当为正时选择负的绝对值最大的，反之，选择正值最大的。

最后的收敛条件是在界内（）的样例都能够遵循KKT条件，且其对应的只在极小的范围内变动。

至于如何写具体的程序，请参考John C. Platt在论文中给出的伪代码。

13 总结

其实在应用时不需要这么多推导，直接用结论写程序即可。拉格朗日对偶的重要作用是将w的计算提前并消除w，使得优化函数变为拉格朗日乘子的单一参数优化问题。

对比这么复杂的推导过程，SVM的思想确实那么简单。它不再像logistic回归一样企图去拟合样本点（中间加了一层sigmoid函数变换），而是就在样本中去找分隔线，为了评判哪条分界线更好，引入了几何间隔最大化的目标。

之后所有的推导都是去解决目标函数的最优化上了。在解决最优化的过程中，发现了w可以由特征向量内积来表示，进而发现了核函数，仅需要调整核函数就可以将特征进行低维到高维的变换，在低维上进行计算，实质结果表现在高维上。由于并不是所有的样本都可分，为了保证SVM的通用性，进行了软间隔的处理，导致的结果就是将优化问题变得更加复杂，然而惊奇的是松弛变量没有出现在最后的目标函数中。最后的优化求解问题，也被拉格朗日对偶和SMO算法化解，使SVM趋向于完美。