机器学习-3 支持向量机【4 附代码】

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4 核函数理解
4.1 多项式核函数(Polynomial kernel function)及其推演

注:当 zeta = 0; gamma = 1; degree = 1 时,即为线性核函数

4.2 高斯核函数(Gaussian kernel)及其推演

借鉴泰勒展开

4.3 手写 SVM 算法并与 Sklearn 作比较

# -*- coding: utf-8 -*-
from __future__ import (absolute_import, division, print_function)
import numpy as np
import pandas as pd
import scipy.spatial.distance as dist
from sklearn.utils import shuffle
from sklearn.model_selection import train_test_split
import random as rd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.svm import SVC

class SvmModel(object):
    def __init__(self, C, kernel, kernel_params, max_iter, tol, eps):
        self.C = C
        self.kernel = kernel
        self.kernel_params = kernel_params
        self.max_iter = max_iter
        self.tol = tol
        self.eps = eps
        
    def linear_kernel(self, x1, x2):
        '''线性核函数'''
        res = x1.dot(x2.T)
        return res
    
    def poly_kernel(self, x1, x2):
        '''多项式核函数'''
        zeta = self.kernel_params.get("zeta", 1.0)
        gamma = self.kernel_params.get("gamma", 1.0)
        degree = self.kernel_params.get("degree", 3.0)
        res = (zeta + gamma*x1.dot(x2.T))**degree
        return res
    
    def rbf_kernel(self, x1, x2):
        '''高斯核函数'''
        gamma = self.kernel_params.get("gamma", 1.0)
        x1 = np.atleast_2d(x1)
        x2 = np.atleast_2d(x2)
        res = np.exp(-gamma * dist.cdist(x1, x2)**2)
        return res
    
    def random_idx(self, i, N):
        '''a2索引的选择:随机搜索'''
        j = i
        while j == i:
            j = np.random.randint(0, N)
        return j
    
    def choose_alpha(self, y_train, N, a, b, K):
        '''搜索合适的a1和a2'''
        # 外循环:搜索违反KKT条件的样本点,优先选择支持向量点
        unbounded = [i for i in range(N) if a[i] == 0]
        bounded = [i for i in range(N) if i not in unbounded]
        # 合并外循环索引,令支持向量排在前
        idx_list = []
        idx_list.extend(bounded)
        idx_list.extend(unbounded)
        
        for i in idx_list:
            gi = (a * y_train).dot(K[:, i]) + b
#            Ei = gi - y_train[i]
            # 内循环:针对违反KKT条件的a1,找到对应的a2
            if (a[i] < self.C and y_train[i]*gi < 1 - self.tol) or \
            (a[i] > 0 and y_train[i]*gi > 1 + self.tol):
#                j = np.argmax(np.abs(Ei - E))
                j = self.random_idx(i, N)
            else:
                # 满足KKT条件的点则跳过
                continue
        return i, j

    def find_bounds(self, y_train, i, j, ai_old, aj_old):
        '''确定上下确界'''
        if y_train[i] == y_train[j]:
            L = max(0.0, ai_old + aj_old - self.C)
            H = min(self.C, ai_old + aj_old)
        else:
            L = max(0.0, aj_old - ai_old)
            H = min(self.C, self.C + aj_old - ai_old)
        return L, H
    
    def clip_a(self, a_unc, L, H):
        '''a边界截断'''
        if a_unc > H:
            a_new = H
        elif a_unc < L:
            a_new = L
        else:
            a_new = a_unc
        return a_new
    
    def clip_b(self, bi_new, bj_new, ai_new, aj_new):
        '''b边界截断'''
        if 0 < ai_new < self.C:
            b = bi_new
        elif 0 < aj_new < self.C:
            b = bj_new
        else:
            b = (bi_new + bj_new) / 2.0
        return b


    def fit(self, x_train, y_train):
        '''模型训练'''
        # 核函数映射
        if self.kernel == "linear":
            K = self.linear_kernel(x_train, x_train)
        elif self.kernel == "poly":
            K = self.poly_kernel(x_train, x_train)
        elif self.kernel == "rbf":
            K = self.rbf_kernel(x_train, x_train)
        else:
            raise ValueError("kernel must be 'linear', 'poly' or 'rbf'")
        # 参数初始化
        N = len(x_train)
        a = np.zeros([N])
        b = 0
        g = (a * y_train).dot(K) + b
        E = g - y_train
        # 参数结果保存列表
        a_res = []
        b_res = []
        E_res = []
        # 迭代
        for step in range(self.max_iter):
            # 搜索合适的 a1 和 a2
            i, j = self.choose_alpha(y_train, N, a, b, K)
            # 计算对应的 E1
            gi = (a * y_train).dot(K[:, i]) + b
            Ei = gi - y_train[i]
            # 计算对应的 E2
            gj = (a * y_train).dot(K[:, j]) + b
            Ej = gj - y_train[j]
            # 计算 eta
            eta = K[i, i] + K[j, j] - 2.0 * K[i, j]
            # 保存 a1 和 a2 的旧值
            ai_old, aj_old = a[i], a[j]
            # 计算 a2 的未剪辑值
            aj_unc = aj_old + y_train[j] * (Ei - Ej) / (eta + self.eps)
            # 计算 a2 的下确界和上确界
            L, H = self.find_bounds(y_train, i, j, ai_old, aj_old)
            # 计算 a2 的新值
            aj_new = self.clip_a(aj_unc, L, H)
            # 计算 a1 的新值
            ai_new = ai_old + y_train[i] * y_train[j] * (aj_old - aj_new)
            a[i], a[j] = ai_new, aj_new
            # 计算 b
            bi_new = b - Ei - y_train[i] * K[i,i] * (ai_new-ai_old) - \
                    y_train[j] * K[i,j] * (aj_new-aj_old)
            bj_new = b - Ej - y_train[i] * K[i,j] * (ai_new-ai_old) - \
                    y_train[j] * K[j,j] * (aj_new-aj_old)
            b = self.clip_b(bi_new, bj_new, ai_new, aj_new)
            # 更新 E 列表
            g = (a * y_train).dot(K) + b
            E = g - y_train
            # 保存参数
            E_res.append(np.sum(np.abs(E)))
            a_res.append(a)
            b_res.append(b)
        return E_res, a_res, b_res
    
    def predict(self, a, b, x_train, x_predict):
        '''模型预测'''
        # 适配核函数
        if self.kernel == "linear":
            K = self.linear_kernel(x_train, x_predict)
        elif self.kernel == "poly":
            K = self.poly_kernel(x_train, x_predict)
        elif self.kernel == "rbf":
            K = self.rbf_kernel(x_train, x_predict)
        else:
            raise ValueError("kernel must be 'linear', 'poly' or 'rbf'")
        # 预测
        y_pred = np.sign((a * y_train).dot(K) + b)
        return y_pred
    
    def get_score(self, y_true, y_pred):
        '''模型评估'''
        score = sum(y_true == y_pred) / len(y_true)
        return score


if __name__ == "__main__":
    # 构造二分类数据集
    N = 50
    x1 = np.random.uniform(low=1, high=5, size=[N,2]) + np.random.randn(N, 2)*0.01
    y1 = np.tile(-1.0, N)
    
    x2 = np.random.uniform(low=6, high=10, size=[N,2]) + np.random.randn(N, 2)*0.01
    y2 = np.tile(1.0, N)
    
    x = np.concatenate([x1,x2], axis=0)
    y = np.concatenate([y1,y2])
    
    x, y = shuffle(x, y, random_state=0)
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2)
    
    # linear
    model = SvmModel(C=1.0, kernel="linear", kernel_params=None, max_iter=1000, tol=10**-4, eps=10**-6)
    E_res, a_res, b_res = model.fit(x_train, y_train)
    
    # poly
#    model = SvmModel(C=1.0, kernel="poly", kernel_params={"zeta":1.0, "gamma":0.01, "degree":3.0}, 
#                     max_iter=1000, tol=10**-4, eps=10**-6)
#    E_res, a_res, b_res = model.fit(x_train, y_train)
    
    # rbf
#    model = SvmModel(C=1.0, kernel="rbf", kernel_params={"gamma":10}, 
#                     max_iter=1000, tol=10**-4, eps=10**-6)
#    E_res, a_res, b_res = model.fit(x_train, y_train)
    
    # 对偶问题最优解
    a_best = a_res[np.argmin(E_res)]
    print(f"对偶问题最优解为:{a_best[a_best != 0]}")
    # 原问题最优解
    b_best = b_res[np.argmin(E_res)]
    w_best = (a_best * y_train).dot(x_train)
    print(f"原问题最优解为:{w_best, b_best}")
    # 支持向量
    x_support = x_train[a_best != 0]
    # predict on testSet
    y_pred = model.predict(a_best, b_best, x_train, x_test)
    score = model.get_score(y_test, y_pred)
    print(f"SvmModel 预测准确率:{score}")
    
    # 运行sklearn算法
    clf = SVC(C=1.0, kernel="linear", max_iter=1000)
    clf.fit(x_train, y_train)
    # 对偶问题最优解
    alpha = clf.dual_coef_
    print(f"sklearn对偶问题最优解为:{alpha}")
    # 原问题最优解
    w = clf.coef_[0]
    b = clf.intercept_
    print(f"sklearn原问题最优解为:{w, b}")
    # 支持向量
    x_support = x_train[clf.support_]
    y_pred = clf.predict(x_test)
    score = sum(y_test == y_pred) / len(y_test)
    print(f"sklearn 预测准确率:{score}")

运行结果:

对偶问题最优解为:[0.07311687 0.07311687]
原问题最优解为:(array([0.24793193, 0.29114169]), -3.064410196685151)
SvmModel 预测准确率:1.0

sklearn对偶问题最优解为:[[-0.16756058 0.16756058]]
sklearn原问题最优解为:(array([0.4837058 , 0.31804058]), array([-4.32046255]))
sklearn 预测准确率:1.0

可见,该例存在两个支持向量,但 Sklearn 库的求解结果和自写算法存在一些区别,令人不解的是 Sklearn 库中得到的对偶问题最优解出现了负值


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