支持向量机(SVM)[1]

SUPPORT VECTOR MACHINE

一、间隔与支持向量


        给定训练样本集:

D=\{(\pmb{x}_1,y_1),(\pmb{x}_2,y_1),\cdots,(\pmb{x}_m,y_m)\}\\

        基于训练集D在样本空间中找到一个划分超平面,这个超平面应该是最鲁棒(Robust),对未见示例泛化能力最强。

        在样本空间中,划分超平面可表示为线性方程:

\pmb{w}^T\pmb{x}+b=0\\

        其中\pmb{w}=(w_1;w_2;\cdots;w_d)为法向量,决定超平面的方向;b为位移项,决定了超平面与远点之间的距离。下面用(\pmb{w},b)表示超平面。

        样本空间中任意一点\pmb{x}到超平面(\pmb{w},b)的距离可以写为:

                                                                            r= \frac{|\pmb{w}^T\pmb{x}+b|}{||\pmb{w}||}\\

        假设超平面(\pmb{w},b)能将样本集正确分类,则对于(\pmb{x}_i,y_i) \in \pmb{D},有:

                                                       \begin{cases} \pmb{w}^T\pmb{x}_i+b>0, & y_i=+1 \\ \pmb{w}^T\pmb{x}_i+b</p><p>        可以令:</p><p>                                                        <img class=

        若超平面(\pmb{w}^",b^")能将训练样本正确分类,则总存在缩放变换\varsigma \pmb{w}\Rightarrow \pmb{w}^",\varsigma b\Rightarrow b^",使得上式成立。

距离超平面最近的几个训练样本使得等号可以成立,它们被称为“支持向量”(Support Vector)

        两个异类支持向量到超平面的距离叫“间隔”(Margin),值为:

                                                                                \gamma =\frac{2}{||\pmb{w}||}

        欲找到有最大间隔(Maximum Margin)的超平面,也就是要找到能满足上述约束的的参数\pmb{w},b,使得\gamma 最大,即:

max_{w,b}~~~\frac{2}{||\pmb{w}||}\\subject~to~~~~~y_i(\pmb{w}^T\pmb{x}_i+b)\geq 1;~~~~i=1,2,3,\cdots,m\tag1

         求\frac{2}{||\pmb{w}||}的最大值等价于求\frac{1}{2}||w||^2的最小值,故上式可转化为:

min_(w,b)~~~\frac{1}{2}||\pmb{w}||^2\\s.t.~~~~y_i(\pmb{w}^T\pmb{x}_i+b)\geq1,~~~~i=1,2,\cdots,m\tag2

这就是支持向量机的基本型

二、超平面(w,b)

        对式(2)的每条约束添加拉格朗日乘数\alpha _i \geq 0,则该问题的拉格朗日函数可写为:

L_(w,b,\alpha)=\frac{1}{2}||\pmb{w}||^2-\Sigma_{i=1}^{m}\alpha _iy_i(\pmb{w}^T\pmb{x}_i+b)+\Sigma_{i=1}^{m}\alpha_i\\\alpha=(\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_m)\tag3

        令其对\pmb{w},b 的偏导为0可得:

\frac{\delta L }{\delta\pmb{w}}\implies \pmb{w}=\Sigma_{i=1}^{m}\alpha_iy_i\pmb{x}_i\\ \frac{\delta L}{\delta b}\implies 0=\Sigma_{I=1}^{m}\alpha_iy_i \tag4

        将(4)代入(3)消去\pmb{w},b ,再考虑约束条件可得:

max_{\alpha}~~~~\Sigma_{i=1}^{m}\alpha_i-\frac{1}{2}\Sigma_{i=1}^{m}\Sigma_{j=1}^{m}\alpha_i\alpha_jy_iy_j\pmb{x}_i^T\pmb{x_j}\\s.t.~~~~\Sigma_{i=1}^{m}\alpha_iy_i=0,~~~~\alpha_i\geq0,i=1,2,\cdots,m\tag5

        求出\alpha后计算出\pmb w,b即可得出模型:

f(x)=\pmb{w}^T\pmb{x}+b=\Sigma_{i=1}^{m}\alpha_iy_i\pmb{x}_i^T\cdot \pmb{x}+b\\\tag6



(未完)

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