算法——SVM支持向量机(入门)

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支持向量机,因其英文名为support vector machine,故一般简称SVM,通俗来讲,它是一种二类分类模型,其基本模型定义为特征空间上的间隔最大的线性分类器,其学习策略便是间隔最大化,最终可转化为一个凸二次规划问题的求解。

1、分类标准的起源:Logistic回归

理解SVM,咱们必须先弄清楚一个概念:线性分类器。

    给定一些数据点,它们分别属于两个不同的类,现在要找到一个线性分类器把这些数据分成两类。如果用x表示数据点,用y表示类别(y可以取1或者-1,分别代表两个不同的类),一个线性分类器的学习目标便是要在n维的数据空间中找到一个超平面(hyper plane),这个超平面的方程可以表示为( wT中的T代表转置):

                                                           

    可能有读者对类别取1或-1有疑问,事实上,这个1或-1的分类标准起源于logistic回归。

    Logistic回归目的是从特征学习出一个0/1分类模型,而这个模型是将特性的线性组合作为自变量,由于自变量的取值范围是负无穷到正无穷。因此,使用logistic函数(或称作sigmoid函数)将自变量映射到(0,1)上,映射后的值被认为是属于y=1的概率。

    假设函数 

 

 其中x是n维特征向量,函数g就是logistic函数。

   而的图像是

   

 可以看到,将无穷映射到了(0,1)。

 而假设函数就是特征属于y=1的概率。

   

 从而,当我们要判别一个新来的特征属于哪个类时,只需求即可,若大于0.5就是y=1的类,反之属于y=0类。

    此外,只和有关,>0,那么,而g(z)只是用来映射,真实的类别决定权还是在于。再者,当时,=1,反之=0。如果我们只从出发,希望模型达到的目标就是让训练数据中y=1的特征,而是y=0的特征。Logistic回归就是要学习得到,使得正例的特征远大于0,负例的特征远小于0,而且要在全部训练实例上达到这个目标。

    接下来,尝试把logistic回归做个变形。首先,将使用的结果标签y = 0和y = 1替换为y = -1,y = 1,然后将)中的替换为b,最后将后面的替换为(即)。如此,则有了。也就是说除了y由y=0变为y=-1外,线性分类函数跟logistic回归的形式化表示没区别。

    进一步,可以将假设函数中的g(z)做一个简化,将其简单映射到y=-1和y=1上。映射关系如下:

    

2、线性分类的一个例子

下面举个简单的例子。如下图所示,现在有一个二维平面,平面上有两种不同的数据,分别用圈和叉表示。由于这些数据是线性可分的,所以可以用一条直线将这两类数据分开,这条直线就相当于一个超平面,超平面一边的数据点所对应的y全是-1 ,另一边所对应的y全是1。

   

这个超平面可以用分类函数表示,当f(x) 等于0的时候,x便是位于超平面上的点,而f(x)大于0的点对应 y=1 的数据点,f(x)小于0的点对应y=-1的点,如下图所示:

   

换言之,在进行分类的时候,遇到一个新的数据点x,将x代入f(x)中,如果f(x)小于0则将x的类别赋为-1,如果f(x)大于0则将x的类别赋为1。

接下来的问题是,如何确定这个超平面呢?从直观上而言,这个超平面应该是最适合分开两类数据的直线。而判定“最适合”的标准就是这条直线离直线两边的数据的间隔最大。所以,得寻找有着最大间隔的超平面。

3、 函数间隔(Functional margin)与几何间隔(Geometrical margin)

     在超平面w*x+b=0确定的情况下,|w*x+b|能够表示点x到距离超平面的远近,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。

定义函数间隔(用表示)为:

      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:

mini  (i=1,...n)

     但这样定义的函数间隔有问题,即如果成比例的改变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。

     事实上,我们可以对法向量w加些约束条件,从而引出真正定义点到超平面的距离--几何间隔(geometrical margin)的概念。

     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,如下图所示:

   

根据平面几何知识,有

  

    其中||w||为w的二阶范数(范数是一个类似于模的表示长度的概念),是单位向量(一个向量除以它的模称之为单位向量)。

    又由于  是超平面上的点,满足  ,代入超平面的方程,可得,即

         随即让此式的两边同时乘以,再根据,即可算出γ: 


      为了得到的绝对值,令乘上对应的类别 y,即可得出几何间隔(用表示)的定义:

    从上述函数间隔和几何间隔的定义可以看出: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。

4、最大间隔分类器Maximum Margin Classifier的定义

     对一个数据点进行分类,当超平面离数据点的“间隔”越大,分类的确信度(confidence)也越大。所以,为了使得分类的确信度尽量高,需要让所选择的超平面能够最大化这个“间隔”值。这个间隔就是下图中的Gap的一半。

   

     通过由前面的分析可知: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。

     于是最大间隔分类器(maximum margin classifier)的目标函数可以定义为:

     同时需满足一些条件,根据间隔的定义,有

     

   回顾下几何间隔的定义,可知:如果令函数间隔等于1,则有 = 1 / ||w||且,从而上述目标函数转化成了

     

        其中,s.t.,即subject to的意思,它导出的是约束条件。

      相当于在相应的约束条件下,最大化这个1/||w||值,而1/||w||便是几何间隔

       如下图所示,中间的实线便是寻找到的最优超平面(Optimal Hyper Plane),其到两条虚线边界的距离相等,这个距离便是几何间隔,两条虚线间隔边界之间的距离等于2,而虚线间隔边界上的点则是支持向量。由于这些支持向量刚好在虚线间隔边界上,所以它们满足(还记得我们把 functional margin 定为 1 了吗?上节中:处于方便推导和优化的目的,我们可以令=1),而对于所有不是支持向量的点,则显然有

    

     OK,到此为止,算是了解到了SVM的第一层,对于那些只关心怎么用SVM的朋友便已足够,不必再更进一层深究其更深的原理。

    

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