序列最小优化算法实现(Sequential Minimal Optimization)

项目地址:https://github.com/Daya-Jin/ML_for_learner/blob/master/svm/SMO.ipynb
原博客:https://daya-jin.github.io/2019/03/24/SequentialMinimalOptimization/

算法概述

在之前讲解SVM博客中,分析了SVM模型的理论基础与优化目标,并且讨论了SVM在达到最优解时的一些性质。但是前文中并没有提及SVM目标函数的优化方法,本文的目的就是讨论二次优化算法SMO用于SVM的学习。因为SMO算法涉及到的很多数学知识已超出本文范畴,某些地方只给出直接结论。

首先回顾SVM的优化目标为:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda}\ L(\lambda)&=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}\lambda_{i}\lambda_{j}y^{i}y^{j}x^{i}{x^{j}}^{T}-\sum_{i=1}^{m}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{i}\le{C}, \ \sum\limits\lambda_{i}y^{i}=0 \end{aligned}

为了将核函数加入进来,将目标函数中两训练样本的内积替换成核函数的形式:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda}\ L(\lambda)&=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}\lambda_{i}\lambda_{j}y^{i}y^{j}\kappa_{ij}-\sum_{i=1}^{m}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{i}\le{C}, \ \sum\limits\lambda_{i}y^{i}=0 \end{aligned}

SMO算法的核心思想是:每次只选取一对参数进行优化。假设在上述目标中,我们只令\lambda_{a}\lambda_{b}为参数,其他\lambda为常数,那么优化问题可以写成:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda_{a},\lambda_{b}} & \frac{1}{2}\lambda_{a}^{2}{y^{(a)}}^{2}\kappa_{aa}+\frac{1}{2}\lambda_{b}^{2}{y^{(b)}}^{2}\kappa_{bb}+\frac{1}{2}\lambda_{a}y^{a}\sum\limits_{i{\ne}a}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{ai}+\frac{1}{2}\lambda_{b}y^{b}\sum\limits_{i{\ne}b}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{bi}-\lambda_{a}-\lambda_{b}-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{a,b}\le{C}, \ \lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i} \\ \end{aligned}

去除无关常量,简化后的优化目标可以写成:

\begin{align*} \min\limits_{\lambda_{a},\lambda_{b}} & \frac{1}{2}\lambda_{a}^{2}\kappa_{aa}+\frac{1}{2}\lambda_{b}^{2}\kappa_{bb}+\frac{1}{2}\lambda_{a}y^{a}\sum\limits_{i{\ne}a}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{ai}+\frac{1}{2}\lambda_{b}y^{b}\sum\limits_{i{\ne}b}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{bi}-\lambda_{a}-\lambda_{b} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{a,b}\le{C}, \ \lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i} \\ \end{align*}

在前文中提过SVM在优化后的一些性质,如对于分类正确的样本,其对应的\lambda_{i}是等于0的,同样的,那么对于软间隔SVM,不难推出优化后的几个性质:

样本分类情况 对应的\lambda
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0}){\ge}1 \lambda_{i}=0
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0}){\le}1 \lambda_{i}=C
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0})=1 0<\lambda_{i}<C

优化策略

SMO每次只选取一对\lambda视为参数,假设先选定\lambda_{a},那么\lambda_{b}的优化公式为:

\begin{aligned} \lambda_{b}:&=\lambda_{b}-\frac{y^{b}((\hat{y}^{a}-y^{a})-(\hat{y}^{b}-y^{b}))}{2\kappa_{ab}-\kappa_{aa}-\kappa_{bb}} \\ &=\lambda_{b}-\frac{y^{b}(E_{a}-E_{b})}{\eta} \\ \end{aligned}

然后再看优化问题中的约束条件\lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i},由于只有\lambda_{a}\lambda_{b}是参数,那么该优化条件还可以写成:\lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=\xi。而y^{a}y^{b}的可能取值为\{-1,+1\},由几何方法可以得到优化参数\lambda的一个上下界:

  • y^{a}{\ne}y^{b}L=\max(0,\lambda_{b}-\lambda_{a})H=\min(C,C+\lambda_{b}-\lambda_{a})
  • y^{a}=y^{b}L=\max(0,\lambda_{a}+\lambda_{b}-C)H=\min(C,\lambda_{b}+\lambda_{a})

所以,在优化之后,还需要检验\lambda_{b}是否还符合约束条件,若不满足,则需要做截断处理:

\lambda_{b}= \begin{cases} H & \text{if $\lambda_{b}>H$} \\ \lambda_{b} & \text{if $L<\lambda_{b}<H$} \\ L & \text{if $\lambda_{b}<L$} \\ \end{cases}

\lambda_{a}的优化公式为:

\lambda_{a}:=\lambda_{a}-y^{a}y^{b}\Delta\lambda_{b}

其中\Delta\lambda_{b}=\lambda_{b}^{new}-\lambda_{b}^{old}

针对任一一个\lambda,若\lambda在边界范围(0,C)内,可以推出对应的\theta_{0,k}

\theta_{0,k}=\theta_{0}-E_{k}-y^{a}\Delta\lambda_{a}\kappa_{ak}-y^{b}\Delta\lambda_{b}\kappa_{kb} \qquad k={a,b}

那么将其写成一个条件函数,可得到\theta_{0}的迭代优化公式:

\theta_{0}:= \begin{cases} \theta_{0,a} & \text{if $0<\lambda_{a}<C$} \\ \theta_{0,b} & \text{if $0<\lambda_{b}<C$} \\ (\theta_{0,a}+\theta_{0,b})/2 & \text{otherwise} \\ \end{cases}

实现指导

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