机器学习第七周(三)--using SVM

本文介绍了支持向量机(SVM)的几种常见核函数,包括线性核函数、高斯核函数及多项式核函数,并探讨了在不同特征数量与训练样本数的情况下如何选择合适的核函数。此外,还对比了SVM与逻辑回归、神经网络的应用场景。

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Using SVM

使用SVM中需要确定参数C以及核函数。
前一讲中我们提到标记点的选取和核函数的选择尤为重要。作者这里列举了一些核函数,但只推荐线性核函数和高斯核函数,其它用的都较少。

几种常见核函数

线性核函数

线性核函数也叫无核函数,满足θTx≥0,则预测结果y=1。当你的特征数量n很大,但数据量m很小时,由于数据量不足,在这种情况下如果使用其他核函数,你可能会过拟合,因此,此时线性核函数是一个合理的选择。

高斯核函数

注意:如果你有大小很不一样的特征变量,在使用高斯核函数之前,对它们进行归一化是很重要的。

多项式核函数

多项式核函数一般用的也很少。

多分类

多分类
对于多分类情况,可以选择合适的SVM包,大部分SVM包已经内置了多分类函数。
还有一种方法是前面逻辑回归提到的一对多的方法,假设K分类,你需要训练出K个SVM,每一个SVM把一个类同其它类分开。

Logistic Regression vs SVM

什么时候该用逻辑回归什么时候该用SVM呢?
逻辑回归和SVM对比
n是特征变量的个数,m是训练样本数

  • 1、如果n(相对于m)大很多时,使用逻辑回归,或者使用无核函数的SVM(线性核函数)。
    如文本分类的问题,特征数量n=10000,而且如果你的训练集大小为m=10,在这个问题中,你有10000个特征变量,对应10000个词,但是你只有10个训练样本。这种情况下就比较适合使用逻辑回归或者线性核函数的SVM了。
  • 2、如果n较小,m是中等大小,(例如n为1到1000之间的值,m为10到10000之间的值)那么使用高斯核函数的SVM效果好一些。
  • 3、如果n很小,m很大时(如n=1000,m=100000+),那么高斯核函数的SVM运行起来会很慢,这种情况下,需要尝试手动地创建更多的特征变量,然后使用逻辑回归或者无核函数的SVM(线性核函数)。

注意:逻辑回归和不带核函数的SVM它们是非常相似的算法,如上图中,有时候它们表现是相似的。根据实现的具体情况,其中一个可能会比另一个更加有效。具体选择。


SVM vs NN?

什么时候采用神经网络呢?
对于上面所有的情况,一个好的神经网络也很可能会非常有效,但是神经网络训练起来可能会很慢。但是如果你有一个非常好的SVM实现包,它会运行得比较快,比神经网络快很多。

SVM vs NN

SVM的优化问题,实际上是一个凸优化问题。因此好的SVM优化软件包总是会找到全局最小值,或者接近它的值。
对于SVM,你不需要担心局部最优。在实际应用中,局部最优对神经网络来说不是非常大,但是也不小。所以使用SVM,你不用考虑这部分问题。

<think>我们正在处理一个将MATLAB的机器学习程序和训练数据集转换为C++的任务。根据引用[1]和[2],mlpack是一个高性能的C++机器学习库,它提供了与MATLAB类似的功能,并且有Python绑定,但这里我们需要C++实现。因此,我们可以考虑使用mlpack来重写MATLAB的机器学习程序。 步骤: 1. **理解MATLAB程序**:首先,我们需要详细理解MATLAB程序的结构,包括使用的算法、数据预处理步骤、模型训练和评估等。 2. **准备数据集**:确保训练数据集可以在C++环境中使用。通常,MATLAB使用.mat文件存储数据,而C++程序可能需要将数据转换为文本文件(如CSV)或二进制格式。引用[3]提到了一些数据集,但我们的数据集是用户自己的,所以需要自行转换。 3. **选择C++机器学习库**:根据引用[1]和[2],mlpack是一个不错的选择,因为它强调速度、灵活性和易用性,并且有丰富的算法。 4. **重写程序**:使用mlpack的API重写MATLAB中的机器学习算法。mlpack提供了许多现成的算法,如线性回归、逻辑回归、神经网络等。 5. **测试与验证**:确保C++程序与MATLAB程序在相同数据集上产生相似的结果。 具体转换建议: **数据转换**: - 将MATLAB中的训练数据集导出为CSV文件。在MATLAB中可以使用`csvwrite`函数。 - 在C++中,mlpack提供了数据加载工具,可以轻松加载CSV文件。例如: ```cpp #include <mlpack/core.hpp> using namespace mlpack; arma::mat dataset; data::Load("data.csv", dataset, true); // 加载CSV文件到Armadillo矩阵 ``` **算法转换**: - 例如,如果MATLAB中使用的是逻辑回归,那么在mlpack中可以使用`LogisticRegression`类。 - 示例代码(逻辑回归): ```cpp #include <mlpack/methods/logistic_regression/logistic_regression.hpp> // 假设dataset的第一行是标签,其余是特征 arma::Row<size_t> labels = dataset.row(0).t(); arma::mat features = dataset.rows(1, dataset.n_rows-1); // 创建逻辑回归模型并训练 LogisticRegression<> lr; lr.Train(features, labels); // 预测 arma::Row<size_t> predictions; lr.Classify(features, predictions); ``` **注意事项**: - MATLAB和C++的索引方式不同:MATLAB是1-based索引,而C++是0-based。 - 数据存储方式:MATLAB默认按列优先,而Armadillo(mlpack使用的矩阵库)也是按列优先,所以数据可以直接对应。 - 如果MATLAB程序使用了复杂的预处理,需要在C++中重新实现这些预处理步骤。 **性能考虑**: - mlpack的性能通常优于MATLAB(引用[1]),所以转换后程序可能会更快。 如果MATLAB程序使用了特定的工具箱函数(如神经网络工具箱),则mlpack中对应的模块可能不同,需要查阅mlpack文档。 另外,如果用户希望自动转换代码,MATLAB Coder可以将MATLAB代码转换为C++,但仅限于支持的工具箱函数和语言特性。对于机器学习工具箱,MATLAB Coder的支持有限,因此手动重写可能是更可靠的方法。 相关问题: 1. 如何将MATLAB的.mat文件中的数据导出为C++可读的格式? 2. mlpack支持哪些机器学习算法?与MATLAB的对应关系如何? 3. 在C++中如何实现MATLAB中的特定数据预处理步骤(如标准化、归一化)? 4. 如何验证C++实现的机器学习模型与MATLAB模型的一致性?</think>### 将MATLAB机器学习程序转换为C++的步骤指南 #### 1. **理解MATLAB程序结构** - 分析MATLAB代码的核心算法(如SVM、神经网络、决策树等) - 识别依赖的工具箱函数(如`fitcsvm`、`trainNetwork`) - 检查数据预处理流程(标准化、特征提取等) - 确认输入/输出格式和模型评估方式 #### 2. **数据转换** - **MATLAB数据导出**: ```matlab % 导出矩阵数据为CSV csvwrite('dataset.csv', trainingData); % 导出模型参数 save('model_params.mat', 'weights', 'bias'); ``` - **C++数据加载**(使用mlpack): ```cpp #include <mlpack/core.hpp> arma::mat dataset; mlpack::data::Load("dataset.csv", dataset, true); ``` #### 3. **算法迁移(关键步骤)** - **选择C++机器学习库**: - **mlpack**(推荐,高性能且API简洁)[^1][^2]: ```cpp #include <mlpack/methods/logistic_regression/logistic_regression.hpp> mlpack::regression::LogisticRegression lr; lr.Train(dataset, labels); ``` - **其他选项**:Shark、Dlib、OpenCV ML模块 - **对应关系示例**: | MATLAB函数 | C++ (mlpack) 等效 | |------------|-------------------| | `fitcsvm` | `SVM<>` | | `kmeans` | `KMeans` | | `fitcnet` | `FFN<>` | #### 4. **模型参数转换** - 手动导出MATLAB模型参数(权重、偏置、超参数) - 在C++中初始化模型结构: ```cpp // 神经网络示例 mlpack::FFN<mlpack::NegativeLogLikelihood> net; net.Add<mlpack::Linear>(128); // 隐藏层 net.Add<mlpack::ReLU>(); net.Add<mlpack::Linear>(10); // 输出层 ``` #### 5. **性能优化技巧** - 使用**Armadillo库**(mlpack底层)进行矩阵运算加速 - 启用OpenMP并行: ```cpp #define MLPACK_USE_OPENMP ``` - 二进制数据加载(比CSV快5-10倍): ```cpp mlpack::data::Load("data.bin", dataset, true); ``` #### 6. **验证与调试** - 单元测试:确保C++与MATLAB在相同输入下输出误差 $<10^{-5}$ - 性能对比:记录训练时间 $T_{\text{MATLAB}}$ vs $T_{\text{C++}}$ - 内存分析:使用Valgrind检测内存泄漏 #### 7. **部署方案** ```mermaid graph LR A[MATLAB程序] --> B[导出模型参数] B --> C[转换为CSV/bin数据] C --> D[mlpack C++实现] D --> E[CMake编译] E --> F[生成可执行文件] ``` ### 常见问题解决 1. **工具箱函数缺失** - 如MATLAB的`fgoalattain`(多目标优化),需用**NLopt库**替代 2. **实时性要求** - 将预处理代码移植到C++,避免MATLAB-C++数据传输开销 3. **数据集过大** - 使用**HDF5格式**存储数据(mlpack支持`data::Load("data.h5", dataset)`) > **关键建议**:对于复杂模型(如深度学习),优先转换**训练好的模型参数**而非训练过程。mlpack支持加载MATLAB的`.mat`文件[^1],但需注意版本兼容性。
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