笔记(总结)-SVM(支持向量机)的理解-1

本文深入探讨SVM(支持向量机)的基本原理及推导过程,从数学角度解释如何寻找最佳分类超平面,并介绍拉格朗日乘数法与对偶问题的概念。

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SVM即支持向量机作为神经网络复兴前的最强大模型,建模和推导有着严密的数学推导作为基础,在训练完成后计算速度也较快,得到了广泛的应用。本文先阐述SVM的基本问题和推导过程,再引入软间隔的SVM,最后引入核函数和求解方法。


问题引入

考虑简单的二分类问题,我们想找一个“最好”的超平面来分隔两类样本。可以看到,在样本点线性可分的情况下,能够找到多个超平面。但其中黑色超平面直观上来看是最合理的,所有样本点到黑色超平面的距离都比较远。新来一个样本时,由于噪声或训练集局限性(采样)等因素,新样本可能更加接近超平面,导致分类错误,而黑色超平面受的影响最小,因为所有样本到它的距离都比较远,泛化能力最强。
这里写图片描述

样本空间中,超平面方程如下:

wTx+b=0wTx+b=0

样本空间中任意一点x0x0到超平面的距离为:

r=|wTx0+b|||w||r=|wTx0+b|||w||

如何描述这个“最好”的超平面?我们引入两条“间隔”超平面作为“楚河汉界”,现在我们的目标变为:在满足所有样本点位于边界外的基础上(分类正确),使“楚河汉界”最宽(泛化能力最强)。
这里写图片描述

我们取两条间隔线为 wTx+b=±kwTx+b=±k,在任意间隔线上取一点,到另一间隔线的距离即为“楚河汉界”宽度,等于d=2k||w||d=2k||w||,此时我们的目标变为:

max dmax d

s.t. wTx+bk, y=1s.t. wTx+b≥k, y=1

wTx+bk, y=1wTx+b≤−k, y=−1

由于目标为最大间隔,而kk相当于衡量宽度的一个尺度,取不同尺度只会改变目标函数的优化程度,为了之后模型推导的方便,取k=1。目标等价变为:

min 12||w||2min 12||w||2

s.t. yi(wTx+b)1, xis.t. yi(wTx+b)≥1, ∀xi

在该问题中,约束条件为仿射函数,为凸二次规划问题,可以直接求解。但推导得到等价的对偶问题后,可以更高效地求解。


拉格朗日乘数法与对偶问题

不失一般性,定义原问题pp∗如下:

min f(w)min f(w)

s.t.gi(w)0s.t.gi(w)≤0

构造拉格朗日函数:

L(w,α)=f(w)+iαigi(w)L(w,α)=f(w)+∑iαigi(w)

定义:

θp(w)=maxαi0L(w,α)θp(w)=maxαi≥0L(w,α)

有:

θp(w)={f(w)+θp(w)={f(w)限制满足+∞限制不满足

αi0αi≥0的前提下,若不满足gi(w)0gi(w)≤0,可取不满足的约束,取对应αiαi为无穷,则函数为无穷。此时原问题pp∗的等价表述为:

min f(w)=min θp(w)=minmaxαi0L(w,α) pmin f(w)=min θp(w)=minmaxαi≥0L(w,α) 即为p∗

得到对偶问题dd∗为:

maxαi0minL(w,α)=maxαi0θD(w) d θD(w)=minL(w,α)maxαi≥0minL(w,α)=maxαi≥0θD(w) 令为d∗其中 θD(w)=minL(w,α)

当满足KKT条件时:

αi0gi(w)0αigi(w)=0{αi≥0gi(w)≤0αigi(w)=0

原问题和对偶问题有相同的解。


SVM对偶问题

回到SVM原问题pp∗:

min 12||w||2min 12||w||2

s.t. yi(wTx+b)1, xis.t. yi(wTx+b)≥1, ∀xi

构造拉格朗日算子,显然有:

f(w)=12||w||2f(w)=12||w||2

gi(w)=1yi(wTxi+b)0gi(w)=1−yi(wTxi+b)≤0

L(w,α)=f(w)+iαigi(w)L(w,α)=f(w)+∑iαigi(w)

通过解对偶问题来解原问题

maxαi0minL(w,α)=maxαi0θD(w)  θD(w)=minw,bL(w,α)maxαi≥0minL(w,α)=maxαi≥0θD(w) 其中 θD(w)=minw,bL(w,α)

对于L(w,α)L(w,α),极值在偏导为0处取到(注意此时LwbL只是关于w和b的函数),令:

Lw=0, Lb=0∂L∂w=0, ∂L∂b=0

得到:

w=iαiyixi, iαiyi=0w=∑iαiyixi, ∑iαiyi=0

ww代回L,得到:

minw,bL=iαi12ijαiαjyiyjxTixj, W(α)minw,bL=∑iαi−12∑i∑jαiαjyiyjxiTxj, 记为W(α)

可以看到LL只是关于α的函数,对偶问题即为:

d=maxW(α)d∗=maxW(α)

s.t. αi0, iαiyi=0s.t. αi≥0, ∑iαiyi=0

此时回过头来,我们看KKT条件,易得若αi>0αi>0,则有gi(w)=0gi(w)=0,即yi(wTxi+b)=1yi(wTxi+b)=1xixi位于间隔超平面上,我们称这样的样本为支持向量。当我们求解得到αiαi代入后,由w=iαiyixiw=∑iαiyixi即可得到ww,由任意一支持向量均满足gi(w)=0,将w,xi,yiw,xi,yi代入即可得到bb,最终判别函数为:

f(x)=wTx+b=(iαiyixiT)x+b=iαiyi(xiTx)+b

对于所有非支持向量的样本,有αi=0αi=0,即在最终的判别函数中只有支持向量起作用,故SVM可以看做一系列支持向量的“加权和”构成的模型。


本文总结了SVM的建模来由、对偶问题和模型推导过程,最终得到了SVM对偶问题的形式和判别函数。其余内容下文再续。

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