荐号 | 如何优雅地读懂支持向量机SVM算法
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简介
支持向量机基本上是最好的有监督学习算法了。最开始接触SVM是去年暑假的时候,老师要求交《统计学习理论》的报告,那时去网上下了一份入门教程,里面讲的很通俗,当时只是大致了解了一些相关概念。
这次斯坦福提供的学习材料,让我重新学习了一些SVM知识。我看很多正统的讲法都是从VC 维理论和结构风险最小原理出发,然后引出SVM什么的,还有些资料上来就讲分类超平面什么的。
这份材料从前几节讲的logistic回归出发,引出了SVM,既揭示了模型间的联系,也让人觉得过渡更自然。
重新审视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。
形式化表示就是
假设函数
其中x是n维特征向量,函数g就是logistic函数。
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。
当我们要判别一个新来的特征属于哪个类时,只需求
再审视一下
如果我们只从
Logistic回归就是要学习得到
图形化表示如下:
中间那条线是
考虑上面3个点A、B和C。从图中我们可以确定A是×类别的,然而C我们是不太确定的,B还算能够确定。这样我们可以得出结论,我们更应该关心靠近中间分割线的点,让他们尽可能地远离中间线,而不是在所有点上达到最优。
因为那样的话,要使得一部分点靠近中间线来换取另外一部分点更加远离中间线。我想这就是支持向量机的思路和logistic回归的不同点,一个考虑局部(不关心已经确定远离的点),一个考虑全局(已经远离的点可能通过调整中间线使其能够更加远离)。这是我的个人直观理解。
形式化表示
我们这次使用的结果标签是y=-1,y=1,替换在logistic回归中使用的y=0和y=1。同时将
以前的
也就是说除了y由y=0变为y=-1,只是标记不同外,与logistic回归的形式化表示没区别。再明确下假设函数
上一节提到过我们只需考虑
函数间隔(functional margin)和几何间隔(geometric margin)
给定一个训练样本
可想而知,当
为了使函数间隔最大(更大的信心确定该例是正例还是反例),当
继续考虑w和b,如果同时加大w和b,比如在
这样,我们为了限制w和b,可能需要加入归一化条件,毕竟求解的目标是确定唯一一个w和b,而不是多组线性相关的向量。这个归一化一会再考虑。
刚刚我们定义的函数间隔是针对某一个样本的,现在我们定义全局样本上的函数间隔
说白了就是在训练样本上分类正例和负例确信度最小那个函数间隔。
接下来定义几何间隔,先看图
假设我们有了B点所在的
我们知道向量BA的方向是
进一步得到
再换种更加优雅的写法:
当
他们为什么会一样呢?因为函数间隔是我们定义的,在定义的时候就有几何间隔的色彩。同样,同时扩大w和b,w扩大几倍,
最优间隔分类器(optimal margin classifier)
回想前面我们提到我们的目标是寻找一个超平面,使得离超平面比较近的点能有更大的间距。也就是我们不考虑所有的点都必须远离超平面,我们关心求得的超平面能够让所有点中离它最近的点具有最大间距。
形象的说,我们将上面的图看作是一张纸,我们要找一条折线,按照这条折线折叠后,离折线最近的点的间距比其他折线都要大。形式化表示为:
这里用
到此,我们已经将模型定义出来了。如果求得了w和b,那么来一个特征x,我们就能够分类了,称为最优间隔分类器。接下的问题就是如何求解w和b的问题了。
由于
这时候其实我们求的最大值仍然是几何间隔,只不过此时的w不受
前面说到同时扩大w和b对结果没有影响,但我们最后要求的仍然是w和b的确定值,不是他们的一组倍数值,因此,我们需要对
这里为了简便我们取
这下好了,只有线性约束了,而且是个典型的二次规划问题(目标函数是自变量的二次函数)。代入优化软件可解。
到这里发现,这个讲义虽然没有像其他讲义一样先画好图,画好分类超平面,在图上标示出间隔那么直观,但每一步推导有理有据,依靠思路的流畅性来推导出目标函数和约束。
来源:JerryLead
http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2011/03/13/1982639.html
本文节选自“超级数学建模”公众号
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