svm算法 最通俗易懂讲解

转自：https://blog.csdn.net/lisi1129/article/details/70209945?locationNum=8&fps=1

        详细的解释见李航的《统计学习方法》

 

 最近在学习svm算法，借此文章记录自己的学习过程，在学习很多处借鉴了z老师的讲义和李航的统计，若有不足的地方，请海涵；svm算法通俗的理解在二维上，就是找一分割线把两类分开，问题是如下图三条颜色都可以把点和星划开，但哪条线是最优的呢，这就是我们要考虑的问题；

 

首先我们先假设一条直线为 W•X+b =0 为最优的分割线，把两类分开如下图所示，那我们就要解决的是怎么获取这条最优直线呢?及W 和 b 的值；在SVM中最优分割面(超平面)就是：能使支持向量和超平面最小距离的最大值；

我们的目标是寻找一个超平面，使得离超平面比较近的点能有更大的间距。也就是我们不考虑所有的点都必须远离超平面，我们关心求得的超平面能够让所有点中离它最近的点具有最大间距。

如上面假设蓝色的星星类有5个样本，并设定此类样本标记为Y =1，紫色圈类有5个样本，并设定此类标记为 Y =-1，共 T ={(X₁ ,Y₁) , (X₂,Y₂) (X₃,Y₃) .........} 10个样本，超平面（分割线）为wx+b=0;  样本点到超平面的几何距离为：

     

        此处要说明一下：函数距离和几何距离的关系；定义上把 样本| w▪x₁+b|的距离叫做函数距离，而上面公式为几何距离，你会发现当w 和b 同倍数增加时候，函数距离也会通倍数增加；简单个例子就是，样本 X₁ 到 2wX₁+2b =0的函数距离是wX₁ +b =0的函数距离的 2倍；而几何矩阵不变；

        下面我们就要谈谈怎么获取超平面了？！

超平面就是满足支持向量到其最小距离最大，及是求：max [支持向量到超平面的最小距离] ；那只要算出支持向量到超平面的距离就可以了吧 ，而支持向量到超平面的最小距离可以表示如下公式:

故最终优化的的公式为：

 根据函数距离和几何距离可以得知，w和b增加时候，几何距离不变，故怎能通过同倍数增加w和 b使的支持向量（距离超平面最近的样本点）上样本代入 y(w*x+b) =1,而不影响上面公式的优化，样本点距离如下：如上图其r1函数距离为1，k1函数距离为1,而其它

样本点的函数距离大于1，及是：y(w•x+b)>=1，把此条件代入上面优化公式候，可以获取新的优化公式1-3：

 

公式1-3见下方：优化最大化分数，转化为优化最小化分母，为了优化方便转化为公式1-4

为了优化上面公式，使用拉格朗日公式和KTT条件优化公式转化为：

 

对于上面的优化公式在此说明一下：比如我们的目标问题是 。可以构造函数：

 

 

此时 与 是等价的。因为 ，所以只有在 的情况下 

才能取得最大值，因此我们的目标函数可以写为。如果用对偶表达式：，

由于我们的优化是满足强对偶的（强对偶就是说对偶式子的最优值是等于原问题的最优值的），所以在取得最优值 的条件下，它满足 :

，

 

结合上面的一度的对偶说明故我们的优化函数如下面，其中a >0

现在的优化方案到上面了，先求最小值，对 w 和 b 分别求偏导可以获取如下公式：

 

把上式获取的参数代入公式优化max值：

化解到最后一步，就可以获取最优的a值：

以上就可以获取超平面！

但在正常情况下可能存在一些特异点，将这些特异点去掉后，剩下的大部分点都能线性可分的，有些点线性不可以分，意味着此点的函数距离不是大于等于1，而是小于1的，为了解决这个问题，我们引进了松弛变量 ε>=0; 这样约束条件就会变成为：

故原先的优化函数变为：

对加入松弛变量后有几点说明如下图所以；距离小于1的样本点离超平面的距离为d ,在绿线和超平面之间的样本点都是由损失的，

其损失变量和距离d 的关系，可以看出 ξ = 1-d , 当d >1的时候会发现ξ =0，当 d<1 的时候 ξ = 1-d ;故可以画出损失函数图，如下图1-7；样式就像翻书一样，我们把这个损失函数叫做 hinge损失； 

下面我们简单的就来讨论一下核函数：核函数的作用其实很简单就是把低维映射到高维中，便于分类。核函数有高斯核等,下面就直接上图看参数对模型的影响，从下图可以了解，当C变化时候，容错变小，泛化能力变小；当选择高斯核函数的时候，随时R参数调大，准确高提高，最终有过拟合风险；

下面就直接上代码了（鸢尾花SVM二特征分类）：

 

1. iris_feature = u'花萼长度', u'花萼宽度', u'花瓣长度', u'花瓣宽度'

2.  
3.  

4. if __name__ == "__main__":

5. path = 'iris.data' # 数据文件路径

6. data = pd.read_csv(path, header=None)

7. x, y = data[range(4)], data[4]

8. y = pd.Categorical(y).codes

9. x = x[[0, 1]]

10. x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, random_state=1, train_size=0.6)

11.  

12. # 分类器

13. clf = svm.SVC(C=0.3, kernel='linear', decision_function_shape='ovo')

14. clf.fit(x_train, y_train.ravel())

15.  

16. # 准确率

17. print clf.score(x_train, y_train) # 精度

18. print '训练集准确率：', accuracy_score(y_train, clf.predict(x_train))

19. print clf.score(x_test, y_test)

20. print '测试集准确率：', accuracy_score(y_test, clf.predict(x_test))

21. x1_min, x2_min = x.min()

22. x1_max, x2_max = x.max()

23. x1, x2 = np.mgrid[x1_min:x1_max:500j, x2_min:x2_max:500j] # 生成网格采样点

24. grid_test = np.stack((x1.flat, x2.flat), axis=1) # 测试点

25.  

26. print 'grid_test = \n', grid_test

27. Z = clf.decision_function(grid_test)

28. Z = Z[:,0].reshape(x1.shape)

29. print "decision_function:",Z

30. grid_hat = clf.predict(grid_test)

31. grid_hat = grid_hat.reshape(x1.shape)

32. mpl.rcParams['font.sans-serif'] = [u'SimHei']

33. mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

34.  

35. cm_light = mpl.colors.ListedColormap(['#A0FFA0', '#FFA0A0', '#A0A0FF'])

36. cm_dark = mpl.colors.ListedColormap(['g', 'r', 'b'])

37. plt.figure(facecolor='w')

38. plt.pcolormesh(x1, x2, grid_hat, cmap=cm_light)

39. plt.scatter(x[0], x[1], c=y, edgecolors='k', s=50, cmap=cm_dark) # 样本

40. plt.scatter(x_test[0], x_test[1], s=120, facecolors='none', zorder=10) # 圈中测试集样本

41. plt.xlabel(iris_feature[0], fontsize=13)

42. plt.ylabel(iris_feature[1], fontsize=13)

43. plt.xlim(x1_min, x1_max)

44. plt.ylim(x2_min, x2_max)

45. plt.title(u'鸢尾花SVM二特征分类', fontsize=16)

46. plt.grid(b=True, ls=':')

47. plt.show()

最后画图如下：