svm算法简介

两种情况
• 线性可分
• 线性不可分
情况1：样本本质上是非线性可分的 解决方法：核函数 情况2：本质上线性，非线性由噪音导致 强制使用非线性函数，会导致过拟合 解决方法：软间隔
线性可分
定义： 对于来自两类的一组模式 x1 , x2 ,....xN ,如果能用 一个线性判别函数正确分类,则称他们是线性可分的。
最优问题的求解
目标函数是二次的，约束条件是线性的，所以这是 一个凸二次规划问题，所以一定会存在全局的最优解， 这个问题可以用现成的QP（quadratic programming） 优化包或者二次程序软件进行求解。
此外，由于这个问题的特殊结构，还可以通过拉格 朗日对偶性变换到对偶变量的优化问题，即通过与原 问题等价的对偶问题得到原始问题的最优解，这就是 线性可分条件下支持向量机的对偶算法，这样做的优 点在于：一者对偶问题往往更容易求解，二者可以自 然的引入核函数，进而推广到非线性分类问题。
解决方法
允许一些点到分类平面的距离不满足原先的要求。原 先对样本点的要求是（意思是说离分类面最近的样本 点函数间隔要比1大）：
如果引入容错性，就给1这个硬性的阈值加一个松弛 变量，即允许：
因为松弛变量是非负的，因此最终的结 果是要求间隔可以比1小。但是当某些点出 现这种间隔比1小的情况时（这些点叫离群 点），意味着我们放弃了对这些点的精确 分类，而这对我们的分类器来说是种损失。 但是放弃这些点也带来了好处，那就是使 分类面不必向这些点的方向移动，因而可 以得到更大的间隔。
线性不可分情况下
情况1：样本本质上是非线性可分的
解决方法：核函数
根据线性可分情况下的结论：
w i y x
(i ) i 1
n
(i )
将分类函数变形得最终分类函数，为：
f ( x) w x b i y
T i 1
n
(i )
x ,x
(i )
问题引入：
我们把横轴上断电a,b之间红色部分里的所有点定 为正类，两边黑色部分定为负类，不能找到一个线 性函数将两类正确分开。
函数间隔的局限性
上述定义的函数间隔虽然可以表示分类 预测的正确性和确信度，但在选择分类超 平面时，只有函数间隔还远远不够，因为 如果成比例的改变w和b，如将他们改变为 2w和2b，虽然此时超平面没有改变，但函 数间隔的值却发生改变。我们可以对法向 量w加些约束条件，使其表面看起来规范化， 如此，我们引入了真正意义点到超平面的 距离--几何间隔。
0 1 3/ 4 1/ 4 1 2 1 2 0 1 1 1 3 3 b , 2 2 2 0 4 g ( x ) 3 2 x1 2 x2 0
原来在二维空间中一个线性不可分的问题， 映射到四维空间后，变成了线性可分的。因此， 这也形成了我们最初想解决线性不可分问题的基 本思路---向高维空间转化，使其变得线性可分。 而转化的关键的部分在于找到x到y的映射方 法。遗憾的是，如何找到这个映射没有系统的方 法，此外，在数据维度较大时，计算困难（我们 对一个二维空间做映射，选择的新空间是原始空 间的所有一阶和二阶的组合，得到了五个维度； 如果原始空间是三维，那么我们会得到 19 维的 新空间，这个数目是呈爆炸性增长的，这给 的计 算带来了非常大的困难，而且如果遇到无穷维的 情况，就根本无从计算了）。
w i yi xi
i 1
n
b

i: yi 1
max w xi min w xi
i: yi 1
T
T
2
• 可求出最优的w和b，即最优超平面。
一个简单的例子：
x4
x1 =(0, 0), y1 = +1
x2 =(1, 0), y2 = +1 x3 =(2, 0), y3 = -1 x4 =(0, 2), y4 = -1
线性不可分
Y轴
X轴
x2
2
1
x1
边界
3
线性可分情况
• 我们怎样才能取得一个最优的划分直线f(x) 呢？
wr x b 0
f ( x) wr x b
最大距离Maximum Marginal
• 从概率的角度上来说，就是使得置信度最小的点置信度最 大
• 从实践的角度来说，这样的效果非常好
最大间隔分类器的定义
• 由于函数间隔的缺陷，不适合用来最大化一个量， 因为在超平面固定以后，我们可以等比例地缩放 T f ( x ) w x b 的值任意 w好b的值，这样可以使得 打，亦即函数间隔可以在超平面不变的情况下被 取得任意大。 • 而几何间隔则没有这个问题，因为除上 w 这个 分母，所以缩放w和b的时候几何间隔不会随之改 变，它只随超平面的变动而变动，因此更加适合 用其来定义最大距离。
( x) az az
在任意维度的空间中，这种形式的函数都是一个 线性函数（只不过其中的a,z是多维向量），因 此，自变量z的次数不大于1。经过映射，判别函 数为：
f ( x) wii ( x) b i yi ( xi ) ( x) b
i 1 i 1 n n
拉格朗日乘数法的扩展形式
• minf(w) • s.t. gi(w)≤0 i=1,2,...,k hi(w)=0 i=1,2,...,l （这里0指的是零向量）
L( w, , ) f ( w) i gi ( w) i hi ( w)
i 1 i 1 k l
L( w, , ) 定义： p ( w) max 0
svm(supported vector machine)
概念： 支持向量机是Corinna Cortes和Vapnik等于1995 年首先提出的，其基本原理是（以二维数据为例）： 如果训练数据是分布在二维平面上的点，它们按照 其分类聚集在不同的区域。基于分类边界的分类算 法的目标是，通过训练，找到这些分类之间的边界。 对于多维数据（如N维），可以将它们视为N维空 间中的点，而分类边界就是N维空间中的面，称为 超面（超面比N维空间少一维）。线性分类器使用 超平面类型的边界，非线性分类器使用超曲面。 数据：线性可分&线性不可分
x1
x2
x3
1 2 Q( ) (1 2 3 4 ) ( 2 4 2 3 4 32 4 42 ) 2
可调用Matlab中的二次规划程序，求得1, 2, 3, 4的值，进而求得w和b的值。
1 2 3 4
分类函数为：
优化问题的表达式：
常见核函数
– 多项式核
– 线性核
k ( x, y) x y
– 高斯径向基函数核
– Sigmoid核
对于核函数的选择，现在还缺乏指导原 则。各种实验的观察结果表明，某些问题 用某些核函数效果很好，用另一些很差， 但一般来讲，径向基核函数是不会出现太 大偏差的一种，首选。 如果使用核函数向高维空间映射后，问 题仍然是线性不可分的，怎么办？
情况2：本质上线性，非线性由噪音导 致
强制使用非线性函数，会导致过拟合 解决方法：软间隔
想象我们有另一个训练集，它是方形的（负类），这 单独的一个样本使得原本线性可分的问题变成了线性 不可分的。这样类似的问题（仅有少数点线性不可 分）。叫做“近线性可分”问题。
我们会觉得，这个点可能是错误的，是噪声。 所以我们会简单的忽略这个样本点，仍然使用原 来的分类器，其效果丝毫不受影响。 但这种对噪声的容错性是人的思维带来的， 我们的程序没有，在此基础上寻找正负类之间的 最大几何间隔，而几何间隔本身代表距离，是非 负的，像这种情况会使得整个问题无解。这种解 法其实也叫做“硬间隔”分类法，因为他硬性的 要求所有样本点都满足和分类平面间的距离大于 某个值。 由上面的例子可以看出，硬间隔分类法其结 果容易受少数点的控制。
但是能找到一条二次曲线将正负类分开，它的函数 表达式可以写为：
( x) c0 c1x c2 x
2
问题只是它不是一个线性函数，但是，新建一个 向量在z和a：
z1 1 x z z 2 2 z x 3
a1 c0 c a a 2 1 a3 c2
min i


定义函数间隔的原因
一般而言，一个点距离超平面的远近可以表示为 分类预测的确信或准确程度。在超平面 w x b 0 确定的情况下，w x b 能够相对的表示点X到超 w 平面的远近，而 x b 的符号与类标记y的符 号是否一致表示分类是否正确，所以，可以用 量 y (w x b) 的正负性来判定或表示分类的正确 性和确信度，于是引出函数间隔概念。
几何间隔
T y ( w x b) yf ( x) 的基础上，对w • 在函数间隔 和b进行归一化，即为几何间隔：
T w x b f ( x) ~ w w w w


• 这时如果成比例的改变w和b，几何间隔的值不会 发生改变。
因为wx+b=0，为了方便，我们可以按任意比例缩 放w和b，而不会改变结果。我们可以添加这样的 约束条件 w 1，这意味着可以先求出w和b的 解，之后重新缩放这些参数，就可以轻易地满足 这个条件。
• 如果有一种方式可以在特征空间中直接计算内积 〈φ(xi ）· φ(x)〉，就像在原始输入点的函数中一样， 就有可能将两个步骤融合到一起建立一个非线性的 学习器，这样直接计算法的方法称为核函数方法， 于是，核函数便横空出世了。
• 核函数：对所有x,z属于X，满足
k ( x, z) ( x) ( z) 这里 是从X到内积特征空间F的映射。
i
当所有约束条件都满足时有 p f (w)
对偶问题
p min ( w) min max L( w, b, a)