2018-11-15 神奇的SVM

1、神奇的SVM从点到直线距离开始:

r=\frac{\vert w^Tx+b\vert }{\vert \vert w\vert \vert }

一个二位坐标系,怎么才能把两类分开,我翻墙找到个MIT机器学习的视频,贼棒!把软件隔、核函数解释的清清楚楚。有个油管是视频,贴不过来,只能给路径了!简单清晰佩服佩服!吐槽下国内的讲述听不下去,上来就推公式,真的受不鸟。

https://www.youtube.com/watch?v=6nDqY8MPLDM

2、如何选这条“线”——优化问题

1、解决目标:最大化间隔r,也就是最小化间隔\vert\vert w \vert\vert

\begin{array}
     \\min_{w,b} \quad\frac{1}{2}  \vert  \vert w \vert  \vert ^2\\
      \text{s.t}  \quad \quad y_i(w^Tx_i+b)\geq 1 , \quad i=1,2,...,m
    \end{array}

2、对偶问题转换:原优化问题是凸二次规划问题,不等式太多,需要求解的空间太大,所以求其对偶问的解。

对偶理论有许多重要应用:在原始的和对偶的两个线性规划中求解任何一个规划时,会自动地给出另一个规划的最优解;当对偶问题比原始问题有较少约束时,求解对偶规划比求解原始规划要方便得多。

(1)拉格朗日乘子法和KKT条件

https://www.zhihu.com/question/58584814/answer/159863739

重点:

1、KKT条件是凸优化问题有解的必要条件,主要是对不等式限制,把超多不等式转化为等式,只留下松弛变量一个不等式约束,这样就是减少了解空间,提升效率。

2、拉格朗日约束就是进一步求导的方式,缩减不等式数量。

思想:将不等式约束条件变成等式约束条件

通过拉格朗日乘子我们将原问题化为先求\alpha 为何值时,拉格朗日方程有最大值,然后求出\alpha
后求解w=\sum_{i=1}^m {\alpha} _i y_i x_i(拉格朗日方程对wb求偏导为0)和b的问题。

故所求的对偶问题是:

\begin{array}
\\\max_{\alpha} \quad   \sum_{i=1}^m {\alpha} _i-\frac{1}{2}\sum_{i=1}^m  \sum_{j=1}^m{\alpha} _i{\alpha} _jy_iy_j \textbf{x}_i^T \textbf{x}_j  \\ 
s.t  \qquad \sum_{i=1}^m{\alpha} _iy_i=0;\\
   \quad \quad\quad \alpha _i\geq 0,i=1,2... ,m
\end{array}

KKT条件(注意是必要条件

\begin{cases}
    \alpha _i\geq0;     \\ 
    y_if(x_i)-1 \geq 0;\\
   \alpha _i( y_if(x_i)-1 ) = 0
  \end{cases}

可见,通过对偶问题后,本问题就转换为求解\alpha 获取最大值的问题。通过KKT条件 \alpha _i( y_if(x_i)-1 ) = 0,我们进一步确认两种情况的出现,一种是: \alpha _i= 0,另一种情况是 y_if(x_i)=1

于是上面这个二次规划问题(\textbf{x}_i^T \textbf{x}_j  )进一步用SMO方法解。
3、序列最小优化算SMO:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29212107

为什么用这个算法呢?百度发现怎么解二次规划问题,很多人会说常用方法是:椭球法、内点法、增广拉格朗日法、梯度投影法 等。

其实问题再回归以下,什么是支持向量??支持向量就是那些在不同样本中离我们的“线”最近的样本点。

SVM其实训练只需要支持向量参与就行,其他都是忽略项。那么上述这些算法其实对于大量样本来讲,大部分的样本都是无用的,也就是无法引起我们对目标函数更大的变化,所以专门设计了SOM算法,用启发式算法,每次选择取违背KKT条件程度最大的变量,这个怎么找?SOM用启发式算法,当确定了第一个变量后,选择使两个变量对应样本之间最大的变量作为第二个变量。直观来说,更新两个差别很大的变量,比起相似的变量,会带给目标函数更大的变化。思路通了以后再看以上公式推导和编程。

3、如何选这条“线”——不是“直”线??

核函数:

类似学习线性变换的方法,我们一般讲低纬度不可分的话我们会给这些数据进行映射,将其映射到高纬平面中,使其线性可分。但进一步,如果凡是遇到线性不可分的样例,一律映射到高维空间,那么这个维度大小是会高到可怕的(如上文中19维乃至无穷维的例子)。那咋办呢?此时,核函数就隆重登场了,核函数的价值在于它虽然也是讲特征进行从低维到高维的转换,但核函数绝就绝在它事先在低维上进行计算,而将实质上的分类效果表现在了高维上,也就如上文所说的避免了直接在高维空间中的复杂计算。

4、如何选这条“线”——隔板不是“1”??

最大化隔板、不满足条件的样本尽量少???

怎么办?继续对第一个拉格朗日方法优化问题加约束啊!方法和1一样,只是在出力样本时候加个损失函数,其中有hinge损失、指数损失和对数损失。这样我们就完成了整个问题的主要思路的梳理。

5、个人提炼

其实,SVM可以说是3条直线走天下,简单易懂,最后目标极其清晰!这里的支持向量、对偶问题、核函数、软隔板,其实也就是研究人员分析问题时的几个步骤:1、找关键点,2、复杂问题反面思考,3、高纬解决问题,4、没有一次能全部解决的问题,凡事留个裕度。

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