核函数

本文介绍了核函数的概念及其在机器学习中的应用。核函数能够将输入数据映射到高维特征空间,从而解决非线性问题。文中还通过示例说明了如何找到对应的特征空间和映射函数。

声明:
1. 转载自《统计学习方法》

核函数

定义

χχ是输入空间(欧式空间RnRn的子集或离散集合,又设HH为特征空间(希尔伯特空间),如果存在一个从χHH的映射

ϕ(x):χH

使得对所有x,zχx,z∈χ,函数K(x,z)=ϕ(x)ϕ(z)K(x,z)=ϕ(x)⋅ϕ(z),则称K(x,z)K(x,z)为核函数,ϕ(x)ϕ(x)为映射函数,式中ϕ(x)ϕ(z)ϕ(x)⋅ϕ(z)ϕ(x)ϕ(x)ϕ(z)ϕ(z)的内积。

核技巧的想法是,在学习与预测中只定义核函数K(x,z)K(x,z),而不显示地定义映射函数ϕϕ。通常,直接计算K(x,z)K(x,z)会比较容易,而通过ϕ(x)ϕ(x)ϕ(z)ϕ(z)计算K(x,z)K(x,z)并不容易。

示例

假设输入空间是R2R2,核函数是K(x,z)=(x,z)2K(x,z)=(x,z)2,是找出相关的特征空间HH和映射ϕ(x):R2H

解:
取特征空间H=R3H=R3,记x=(x(1),x(2))Tx=(x(1),x(2))Tz=(z(1),z(2))Tz=(z(1),z(2))T
由于(xz)2=(x(1)z(1)+x(2)z(2))2=(x(1)z(1))2+2x(1)z(1)x(2)z(2)+(x(2)z(2))2(x⋅z)2=(x(1)z(1)+x(2)z(2))2=(x(1)z(1))2+2x(1)z(1)x(2)z(2)+(x(2)z(2))2
所以可取映射ϕ(x)=((x(1))2,2x(1)x(2)(x(2))2ϕ(x)=((x(1))2,2x(1)x(2),(x(2))2)
容易验证ϕ(x)ϕ(z)=(xz)2=K(x,z)ϕ(x)⋅ϕ(z)=(x⋅z)2=K(x,z)

仍取H=R3H=R3以及12((x(1))2(x(2))2,2x(1)x(2),(x(1))2+(x(2))2)12((x(1))2−(x(2))2,2x(1)x(2),(x(1))2+(x(2))2)
同样有ϕ(x)ϕ(z)=(xz)2=K(x,z)ϕ(x)⋅ϕ(z)=(x⋅z)2=K(x,z)

### SVR 核函数的类型 支持向量回归(SVR)是支持向量机(SVM)在回归问题上的应用,其核心思想是通过核函数输入数据映射到高维空间,从而在该空间中进行线性回归。核函数的选择对模型的性能有重要影响。SVR 中常用的核函数包括以下几种: 1. **线性核函数(Linear Kernel)** 线性核函数是最简单的核函数,适用于数据本身已经线性可分的情况。其形式为: $$ K(x, x') = x^T x' $$ 由于其计算简单,适合大规模数据集,但无法处理复杂的非线性关系。 2. **多项式核函数(Polynomial Kernel)** 多项式核函数可以捕捉数据中的多项式关系,其形式为: $$ K(x, x') = (\gamma x^T x' + r)^d $$ 其中 $\gamma$ 是缩放因子,$r$ 是偏移项,$d$ 是多项式的阶数。这种核函数适合处理具有明确多项式关系的数据。 3. **径向基函数核(Radial Basis Function Kernel, RBF Kernel)** 径向基函数核也称为高斯核函数,是最常用的核函数之一,能够处理非线性关系。其形式为: $$ K(x, x') = \exp(-\gamma \|x - x'\|^2) $$ 其中 $\gamma$ 是控制核宽度的参数。RBF 核函数具有较强的泛化能力,适合大多数非线性问题。 4. **Sigmoid 核函数(Sigmoid Kernel)** Sigmoid 核函数来源于神经网络中的激活函数,其形式为: $$ K(x, x') = \tanh(\gamma x^T x' + r) $$ 其中 $\gamma$ 和 $r$ 是参数。虽然 Sigmoid 核函数在某些情况下可以用于分类问题,但在回归问题中应用较少。 5. **自定义核函数(Custom Kernel)** 在某些特定的应用场景中,可以根据数据的特性设计自定义核函数。例如,对于时间序列数据,可以设计基于时间的核函数。 ### 核函数的选择方法 在选择 SVR 的核函数时,需要结合数据的特点和问题的复杂度进行权衡。以下是一些常用的选择方法: 1. **问题复杂度** 如果数据的分布较为简单,且特征与目标变量之间的关系接近线性,则可以选择线性核函数。对于复杂的非线性关系,推荐使用 RBF 核函数或多项式核函数2. **数据规模** 对于大规模数据集,线性核函数的计算效率较高,而 RBF 核函数在大规模数据上可能会面临计算资源的瓶颈。 3. **交叉验证** 可以通过交叉验证的方法评估不同核函数的性能。通常,RBF 核函数在大多数问题上表现良好,因此可以作为首选尝试。如果 RBF 核函数的效果不佳,可以尝试多项式核函数或 Sigmoid 核函数。 4. **参数调优** 不同的核函数需要调整不同的参数。例如,RBF 核函数需要调整 $\gamma$ 参数,而多项式核函数需要调整 $\gamma$、$r$ 和 $d$。可以通过网格搜索(Grid Search)或随机搜索(Random Search)等方法寻找最优参数组合。 5. **领域知识** 如果对问题的领域有深入了解,可以根据领域知识选择合适的核函数。例如,在图像处理中,可以设计基于图像特征的核函数。 ### Python 实现示例 以下是一个使用 Scikit-learn 实现 SVR 的示例代码,展示了如何选择不同的核函数并进行训练和预测: ```python from sklearn.svm import SVR from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import mean_squared_error import numpy as np # 生成示例数据 X = np.random.rand(100, 1) * 10 y = np.sin(X).ravel() # 数据预处理 scaler = StandardScaler() X_scaled = scaler.fit_transform(X) # 划分训练集和测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_scaled, y, test_size=0.2, random_state=42) # 使用 RBF 核函数 svr_rbf = SVR(kernel='rbf', C=100, gamma=0.1, epsilon=0.1) svr_rbf.fit(X_train, y_train) y_pred_rbf = svr_rbf.predict(X_test) # 使用线性核函数 svr_linear = SVR(kernel='linear', C=100) svr_linear.fit(X_train, y_train) y_pred_linear = svr_linear.predict(X_test) # 使用多项式核函数 svr_poly = SVR(kernel='poly', degree=3, C=100, gamma='scale') svr_poly.fit(X_train, y_train) y_pred_poly = svr_poly.predict(X_test) # 评估模型 print("RBF 核函数的均方误差:", mean_squared_error(y_test, y_pred_rbf)) print("线性核函数的均方误差:", mean_squared_error(y_test, y_pred_linear)) print("多项式核函数的均方误差:", mean_squared_error(y_test, y_pred_poly)) ``` ### 总结 SVR 的核函数选择对模型的性能有重要影响。常用的核函数包括线性核、多项式核、RBF 核和 Sigmoid 核。选择核函数时应考虑问题的复杂度、数据规模、交叉验证结果、参数调优以及领域知识等因素。通过合理选择核函数,可以提高 SVR 模型的预测精度和泛化能力。 ---
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