李航 《统计学习方法》第七章支持向量机习题答案

1.比较感知机的对偶形式和线性可分支持向量机的对偶性形式。

感知机原始形式: min w , b L ( w , b ) = x i ϵ M ( y i ( w x i + b ) ) \min_{w,b} L(w,b) = - \sum_{x_i\epsilon M}(y_i(w\cdot x_i+b)) M M 为误分点的集合。等价于 min w , b L ( w , b ) = i = 1 N ( y i ( w x i + b ) ) + \min_{w,b} L(w,b) = \sum_{i=1}^N(-y_i(w\cdot x_i+b))_+
对偶形式: w w , b b 表示为 x i x_i , y i y_i 的线性组合的形式,求其系数(线性组合的系数) w = i = 1 N α i y i x i w = \sum_{i=1}^{N}\alpha_iy_ix_i , b = i = 1 N α i y i b = \sum_{i=1}^{N}\alpha_iy_i min w , b L ( w , b ) = min α i L ( α i ) = i = 1 N ( y i ( j = 1 N α j y j x j x i + j = 1 N α j y j ) ) + \min_{w,b} L(w,b) = \min_{\alpha_i}L(\alpha_i) = \sum_{i=1}^N(-y_i(\sum_{j=1}^{N}\alpha_jy_jx_j\cdot x_i+ \sum_{j=1}^{N}\alpha_jy_j))_+
线性可分支持向量机原始问题: min w , b 1 2 w 2 s . t . y i ( w x i + b ) 1 0 \min_{w,b} \frac{1}{2}\|w\|^2\\s.t.\quad\quad y_i(w\cdot x_i+b)-1\ge0
线性可分支持向量机对偶问题: min α 1 2 i = 1 N j = 1 N α i α j y i y j ( x i x j ) i = 1 N α i s . t . i = 1 N α i y i = 0 0 α i C , i = 1 , 2 ,   , N \min_{\alpha}\frac{1}{2}\sum_{i=1}^N\sum_{j=1}^N\alpha_i\alpha_jy_iy_j(x_i\cdot x_j)-\sum_{i=1}^N\alpha_i\\s.t. \quad\quad \sum_{i=1}^N\alpha_iy_i = 0\\0\leq\alpha_i\leq C,\quad i=1,2,\cdots,N 最终 w , b w^*,b^* 可以按照下士求出, w = i = 1 N α i j i x i w^*=\sum_{i=1}^N\alpha_i^*j_ix_i , b = y j i = 1 N α i ( x i x j ) b^*=y_j-\sum_{i=1}^N\alpha_i^*(x_i\cdot x_j) 。可以看出 w , b w,b 实质也是将其表示为 x i , x j x_i,x_j 的线性组合形式。

2.已知正例点 x 1 = ( 1 , 2 ) T x_1=(1,2)^T , x 2 = ( 2 , 3 ) T x_2=(2,3)^T , x 3 = ( 3 , 3 ) T x_3=(3,3)^T ,负例点 x 4 = ( 2 , 1 ) T x_4=(2,1)^T , x 5 = ( 3 , 2 ) T x_5=(3,2)^T ,试求最大间隔分离超平面和分类决策函数,并在图上画出分离超平面,间隔边界以及支持向量。

手动计算:根据题意,得到目标函数即约束条件 min 1 2 w 1 2 + w 2 2 s . t . w 1 + 2 w 2 + b 1 ( 1 ) 2 w 1 + 3 w 2 + b 1 ( 2 ) 3 w 1 + 3 w 2 + b 1 ( 3 ) 2 w 1 w 2 b 1 ( 4 ) 3 w 1 2 w 2 b 1 ( 5 ) \min\frac{1}{2}\|w_1^2+w_2^2\|\\s.t.\quad w_1+2w_2+b\ge 1\quad\quad(1)\\ \quad\quad\quad 2w_1+3w_2+b\ge 1\quad\quad(2)\\ \quad\quad\quad 3w_1+3w_2+b\ge 1\quad\quad(3)\\ \quad\quad\quad -2w_1-w_2-b\ge 1\quad\quad(4)\\ \quad\quad\quad -3w_1-2w_2-b\ge 1\quad\quad(5) 在这里插入图片描述在这里插入图片描述

w 1 . w 2 w_1.w_2 为坐标轴找到可行域,目标函数即求到原点距离最小的点,也就是 w = [ 1 , 2 ] w=[-1,2] ,对于正例点 b 2 b\ge-2 ,对于负例点 b 2 b\le -2 ,所以 b = 2 b=-2
python实验验证

from sklearn import svm
x=[[1, 2], [2, 3], [3, 3], [2, 1], [3, 2]]
y=[1, 1, 1, -1, -1]
clf = svm.SVC(kernel='linear',C=10000)
clf.fit(x, y)
print(clf.coef_)
print(clf.intercept_)

画图

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
plt.scatter([i[0] for i in x], [i[1] for i in x], c=y)
xaxis = np.linspace(0, 3.5)
w = clf.coef_[0]
a = -w[0] / w[1]
y_sep = a * xaxis - (clf.intercept_[0]) / w[1]
b = clf.support_vectors_[0]
yy_down = a * xaxis + (b[1] - a * b[0])
b = clf.support_vectors_[-1]
yy_up = a * xaxis + (b[1] - a * b[0])
plt.plot(xaxis, y_sep, 'k-')
plt.plot(xaxis, yy_down, 'k--')
plt.plot(xaxis, yy_up, 'k--')
plt.scatter (clf.support_vectors_[:, 0], clf.support_vectors_[:, 1], s=150, facecolors='none', edgecolors='k')
plt.show()

3.线性支持向量机还可以定义为以下形式: min w , b , ξ 1 2 w 2 + C i = 1 N ξ i 2 s . t . y i ( w x i + b ) 1 ξ i , i = 1 , 2 ,   , N ξ i 0 , i = 1 , 2 ,   , N \min_{w,b,\xi}\quad \frac{1}{2} \|w\|^2+C\sum_{i=1}^N\xi_i^2\\s.t.\quad y_i(w\cdot x_i+b)\ge 1-\xi_i,\quad i=1,2,\cdots,N\\\xi_i\ge 0,\quad i=1,2,\cdots,N 试求其对偶形式。

根据支持向量机的对偶算法得到对偶形式,由于不能消去变量 ξ i \xi_i 的部分,所以拉格朗日因子也包含 μ i \mu_i
在这里插入图片描述

4 证明内积的正整数幂函数 K ( x , z ) = ( x z ) p K(x,z)=(x\cdot z)^p 是正定核函数,这里 p p 是正整数, x , z R n x,z\in R^n

根据书中内容需要证明 K ( X , Z ) K(X,Z) 对应的Gram矩阵 K = [ K ( x i , x j ) ] m × n K = [K(x_i,x_j)]_{m\times n} 是半正定矩阵。
对任意的 c 1 , c 2 ,   , c m R c_1,c_2,\cdots,c_m\in R ,有
i , j = 1 m c i c j K ( x i , x j ) = i , j = 1 m c i c j ( x i x j ) p = ( i = 1 m c i x i ) ( j = 1 m c j x j ) ( x i x j ) p 1 = ( i = 1 m c i x i ) 2 ( x i x j ) p 1 \sum_{i,j=1}^mc_ic_jK(x_i,x_j) = \sum_{i,j=1}^mc_ic_j(x_i\cdot x_j)^p\\=(\sum_{i=1}^mc_ix_i)(\sum_{j=1}^mc_jx_j)(x_i\cdot x_j)^{p-1}\\ =\|(\sum_{i=1}^mc_ix_i)\|^2(x_i\cdot x_j)^{p-1} 因为 p 1 p\ge1 ,所以 p 1 0 p-1\ge0 ,所以 ( x i x j ) p 1 0 (x_i\cdot x_j)^{p-1}\ge 0 ,所以原始大于等于0,即Gram矩阵半正定,所以正整数的幂函数是正定核函数。

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