机器学习经典算法笔记-Support Vector Machine SVM

可供使用现成工具：Matlab SVM工具箱、LibSVM、SciKit Learn based on python

一 问题原型

解决模式识别领域中的数据分类问题，属于有监督学习算法的一种。

如图所示的二分类问题，A，B为决策面（二维空间中是决策线），每个决策面对应一个线性分类器方案，分类间隔越大则SVM分类器的性能越优（A>B）,而具有最大间隔的分类方案则是最优决策面。SVM正是要寻找这样的最优解，虚线穿过的向量点就是支撑向量（对应A有三个支撑向量，一红二蓝）。优化对象看上去似乎成了决策面的方向和位置参数，实际上最终却是由支撑向量的选择所决定的！所以本质上，SVM依然是一个最优化问题。

二 数学建模

1.建立超平面方程： w控制斜率，r控制截距

2.分类间隔d的计算

则目标为追求d的最大化

三 约束条件

1.是否存在一个决策面，能够将所有的样本点都正确分类？

2.决策面方向已经确定的前提下，为了保证决策面在间隔空间的中间，所以截距r也不是自由化的，受决策面方向和样本点分布的约束

3.确定了方向和截距，则支撑向量点受约束，不是任意的

为每个样本点添加一个标签 Y使得：

则决策面方程的正确分类可表示为：

假设决策面正好处于间隔区域的中轴线上，则方程变形为：

同时除以d：

则SVM优化的基本约束可以被描述为：对于存在分类间隔的两类样本点，我们一定可以找到一些决策面，使其对于所有的样本点均满足下面的条件：

只有在xi是对应决策面的支撑向量时，等号才能成立

 （分子绝对值为1）

由此，SVM的优化任务从找到一组参数ω、γ使得分类间隔W=2d最大化，转变为||ω||的最小化问题，也等效于1/2||ω||²的最小化问题

数学描述：

直观点来看，目标函数相当于让分隔面的间隙（d）最大化，同时约束条件保证了分类的正确性

固定w方向，对正样本来说，可以找到wx+b1=0，满足所有正样本在线的一侧

对负样本 找到wx+b2=0满足所有负样本在线的一侧（与上面线平行）

调整w大小，得到b1-b2 = 2 取b=b1-b2 -1 则得到中间分隔超平面wx+b = 0

四 函数间隔和几何间隔

在超平面w*x+b=0确定的情况下，|w*x+b|能够表示点x距离超平面的远近，而通过观察w*x+b的符号与类标记y的符号是否一致可判断分类是否正确，所以，可以用(y*(w*x+b))的正负性来判定或表示分类的正确性。于此，我们便引出了函数间隔（functional margin）的概念：

而超平面(w，b)关于T中所有样本点(xi，yi)的函数间隔最小值（其中，x是特征，y是结果标签，i表示第i个样本），便为超平面(w, b)关于训练数据集T的函数间隔：

如果成比例的改变w和b（如将它们改成2w和2b），则函数间隔的值f(x)却变成了原来的2倍（虽然此时超平面没有改变），所以只有函数间隔还远远不够。假定对于一个点 x ，令其垂直投影到超平面上的对应点为 x0 ，w 是垂直于超平面的一个向量，为样本x到超平面的距离

几何间隔就是函数间隔除以||w||，而且函数间隔y*(wx+b) = y*f(x)实际上就是|f(x)|，只是人为定义的一个间隔度量，而几何间隔|f(x)|/||w||才是直观上的点到超平面的距离。

函数间隔不适合用来最大化间隔值，因为在超平面固定以后，可以等比例地缩放w的长度和b的值，这样可以使得的值任意大，亦即函数间隔可以在超平面保持不变的情况下被取得任意大。但几何间隔因为除上了，使得在缩放w和b的时候几何间隔的值是不会改变的，它只随着超平面的变动而变动，因此，这是更加合适的一个间隔。换言之，这里要找的最大间隔分类超平面中的“间隔”指的是几何间隔。

如果令函数间隔等于1，得到优化目标：，和上面推导出来的优化目标函数

形态一致。对于支撑向量，约束条件满足等号，非支撑向量，应>1。

SVM问题为典型的凸二次优化问题，可用QP (Quadratic Programming) ,SMO优化包进行求解。

五  核函数

引入核函数，将数据映射到高维空间解决线性不可分

核是一个函数K，对所有x，z(-X，满足，这里φ是从X到内积特征空间F的映射。

如图所示的样本：超平面为圆方程（也既二次曲线方程）

如果我们构造另外一个五维的空间，其中五个坐标的值分别为

那么显然，上面的方程在新的坐标系下可以写作：Z那么显然，上面的方程在新的坐标系下可以写作：

如果我们做一个映射将X照上面的规则映射为Z，那么在新的空间中原来的数据将变成线性可分的，从而使用之前我们推导的线性分类算法就可以进行处理了。这正是 Kernel 方法处理非线性问题的基本思想。

所以核函数将原始目标函数映射为，并求解对偶问题：

几种常见核函数：

• 多项式核：该空间的维度是，其中m是原始空间的维度
• 高斯核：可能会将原始空间映射成无穷维，不过参数选取很大的话，高次特征上的权重衰减很快，实际上还是相当于一个低维子空间，很小则可以将任意数据映射为线性可分，但同时带来严重的过拟合问题！

高斯核示意图

• 线性核：原始空间中的内积

核函数的价值在于它虽然也是将特征进行从低维到高维的转换，但核函数绝就绝在它事先在低维上进行计算，而将实质上的分类效果表现在了高维上

六 松弛变量

为处理一些特殊点导致超平面线性不可分的情况，引入了松弛变量的概念

图中最上面的蓝色点导致原本较为完美的决策平面扭曲，SVM 允许数据点在一定程度上偏离一下超平面。例如上图中，黑色实线所对应的距离，就是该 outlier 偏离的距离，如果把它移动回来，就刚好落在原来的 超平面 蓝色间隔边界上，而不会使得超平面发生变形了。

原约束条件中加入松弛变量

原目标函数需要使得各松弛变量总和最小

完整模型：

七 对偶问题

直接对目标函数进行优化求解很困难，使用拉格朗日乘子法得到“对偶问题”

$L(\omega,\beta,\alpha) = 1/2||\omega||^2 + \sum_{i=1}^m\alpha_i(1-y_i(\omega^Tx_i + \beta))$ 其中$\alpha_i$为拉格朗日乘子。于是令该式分别对$\omega$和$\beta$求偏导并取0值，得到：

$\omega = \sum_{i=1}^m\alpha_iy_ix_i$  $0=\sum_{i=1}^m\alpha_iy_i$ 将二式代入原式，消去$\omega$和$\beta$得到对偶问题：

$\max_\alpha  \sum_{i=1}^m\alpha_i - 1/2\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^m\alpha_i\alpha_jy_iy_jx_i^Tx_j$

$s.t    \sum_{i=1}^m\alpha_iy_i = 0$     $\alpha_i >=0, i=1,2,3....m$