Kernel Method

非线性分类


输入空间中有由x_1^2+x_2^2-1=0分割的数据集,圆内为正例,圆外为负例,此时用超平面是无法正确分离数据集的。

定义映射\phi(x)=(x_1^2,x_2^2),在新空间中数据集可以用超平面x+y-1=0,x=x_1^2,y=x_2^2分离。

核函数


设X是输入空间,H是特征空间。假设存在一个从X到H的映射\phi(x) :X\rightarrow H,使得对所有的x,z\in X,函数K(x,z)满足

K(x,z)=\phi(x)\cdot \phi(z),

则称K(x,z)为核函数,\phi(x)为映射函数。

X \in R^2,H \in R^3,for \ x\in X, \phi(x)=(x_1^2,\sqrt 2 x_1x_2,x_2^2),则\\K(x,z)=\phi(x) \cdot \phi(z)=(x_1^2 z_1^2,2x_1z_1x_2z_2, x_2^2 z_2^2)=((x_1,x_2)\cdot (z_1,z_2))^2=(x\cdot z)^2

核方法


核技方法(核技巧)的思路是只定义核函数K(x,z),而不显式地定义\phi(x)。因为找到合适的\phi(x)比较难,找到合适的\phi(x)后,H空间通常是高维或者无穷维的,在H空间计算内积很不容易。使用核技巧可以直接在X空间使用核函数计算H空间的内积,避免这个问题。对于特定的问题,特征空间H和映射函数的\phi的取法并不是唯一的,即使对于同一个特征空间,映射函数的取法也可能有很多种。

正定核


通常所说的核函数是正定核函数,即对给出的核函数K(x,z),一定存在映射\phi满足k(x,z)=\phi(x)\cdot \phi(z).

可以通过下面的充要条件来判断任意给出的函数是不是正定核函数:

正定核的充要条件:设K:X\times X\rightarrow R是对称函数,则K(x,z)是正定核的充要条件是对任意x_i\in X,i=1,2,\ldots,m,K(x,z)对应的Gram矩阵

K=[K(x_i,x_j)]_{m\times m}

是半正定矩阵。

Gram矩阵:n维欧式空间中的m个向量\alpha_1,\alpha_2,\ldots,\alpha_m的内积所组成的矩阵

\left[\begin{matrix} \alpha_1\cdot \alpha_1      & \alpha_1\cdot \alpha_2      & \cdots & \alpha_1\cdot \alpha_m      \\ \alpha_2\cdot \alpha_1      & \alpha_2\cdot \alpha_2     & \cdots & \alpha_2\cdot \alpha_m      \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \alpha_m\cdot \alpha_1      & \alpha_m\cdot \alpha_2      & \cdots & \alpha_m\cdot \alpha_m      \\\end{matrix}\right]

称为m个向量的Gram矩阵。

半正定矩阵:x^TAx\geq0或特征值全为非负数

常用核函数


多项式核函数

K(x,z)=(x\cdot z+1)^p

高斯核函数

K(x,z)=exp(\frac{||x-z||^2}{2\sigma^2})

字符串核函数

【待】

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