机器学习记录4and5 支持向量机

本文的参考有《机器学习》,《机器学习实战》,清华深研曾龙老师《机器学习》课程。

拉格朗日乘子：

梯度 、方向导数：先理解偏导数：三维空间中，用y=a，x=0或x=a,y=0的平面去截空间中的曲面，得到一条曲线，这个平面上的曲线的切线的斜率便是偏导数的值，方向导数：上面的平面换成y=ax+b,其他同理（这个a就表示了在xy面的方向）。全导数：方向导数中切出来的这条曲线映射到xz或yz面，在这个面的切线的斜率值。梯度是最大的方向导数。（参考马同学学数学）
梯度向量：是等高线的法线，与等高线的切线垂直。
拉格朗日乘子法定义： mimax f，s.t. g=0。(几何关系可参考：马同学学数学（知乎）。)（重点：多元的，其次有一个是目标方程（表现为等高线），一个是约束条件，找到这两个线相切的点极值点，这个相切就表现为他们的梯度向量方向相等，值可以是）。（至于为什么要找极值点，是因为大多数优化问题就是找到极大值极小值）

KTT条件：

拉格朗日乘子法是等式约束，对于不等式约束条件需要再加一个h(x＜=0，小于时不起约束作用，等于时起约束作用。

SVM预备知识：

线性模型：找超平面分开样本。

三个重要的平面：如图中二分类所示，+和-指的是标签，x1、x2是属性取值（当有两种以上的属性时变成多维空间）,中间是划分超平面，还有两个支持向量所在的平面（支持平面）。两个支持平面就是离两种类别最近的两个平面。
模型优化基本型：便是寻找w和b使得这两个支持平面的间隔y=1/w最大。
注意：这里1/w是优化关键，后续的数学推导都是基于此展开。

线性可分SVM（硬间隔）：

使1/w最大，也就是是使w最小，另外还有约束条件，这是优化的基本公式：

通过一系列公式转换成对偶问题，推导公式可自行推导，不懂的可参照网上已有的，这里放出推导完成的。

最后模型只与支持向量有关，不需要保留训练样本。（这也称作稀疏性）
求解对偶问题的思路如下：



这样，解出来a,b,w训练得到支持向量后，用于测试。
为了加快收敛，有了两个启发式选择方法：（算法改进）

线性近似可分SVM（软间隔）

软间隔也就是样本空间不是完全线性可分，会有一些特异点。
将约束改为：

线性不可分SVM（核技巧）

不能通过超曲面分开，需要升维。
核函数，实际上是内积，给出了两个样本之间关系的度量例如相似度，用来减少前面直接非线性转换的计算量。选用核函数就是把x1，x2,z上下左右前后拉扯得到一个好分的空间。需要根据领域知识选择核函数，经验：对文本，常采用线性核；情况不明时，可先尝试高斯核。

作业：将二分类器变成多分类器，识别手写符

思路有间接法和直接法，间接法有ovo,ovr两种，这里采用ovr，，ovr 是指训练时把某个类别作为正类，其余类别作为反类，这样构成了 k 个二分类，k 个二分类器得到的结果得到正面结果的便是最终多分类结果。
由于可能有多个二分类判别为正面结果，需要根据结果的正面程度，将正面程度更大的那个作为最终结果。
编程思路：
（1）先做十个分类器；
（2）训练时得到十个支持向量；
（3）预测时，将每个样本通过十个分类器得到十个结果，将十个结果中是正面结果的分类器的序号存储到 conindex 中，判断 conindex 中的个数。如果等于 0，说明判别失败，如果等于 1，那么恰好这个序号便是预测结果，如果大于 1，则比较不进行 sign 之前的预测值，选择更大的那个，其对应的分类器序号作为预测值。

部分核心的伪代码：

1. 先做十个分类器
def jloadImages(dirName,j): #十个分类器
m = len(trainingFileList) #m个样本向量
    for i in range(m):
        classNumStr = Function< dirName > #原始标签
        if classNumStr == j: 
            hwLabels.append(1)  #制定分类器，是j的标签为1，其余九个都为-1
        else: hwLabels.append(-1)
        trainingMat[i,:] = Function< img2vector(dirName, fileNameStr)>#样本空间

2. 然后训练
def multisvm(kTup=('rbf', 10)): 
    fname = ‘trainingDigits'
    for j in range(10)
    {
        datMat, labelMa = Function< jloadImages(fname,j)> #加载文件
        singleb,singlealphas= smoPK(dataArr, labelArr) #算单个分类器的b和a
        b←singleb;alphas← singlealphas  #将十个分类器的b和a存进去
        singlesVs，singlelabelSV =Function
#算单个分类器的支持向量
sVs←singlesVs; labelSV ←singlelabelSV#存储十个分类器的支持向量
        m,n = shape(datMat)
        errorCount = 0
        for i in range(m)
{
            kernelEval = Function#核函数
            predict=Function< predict（kernelEval>  #分类器进行预测
if sign(predict)!=sign(labelMat[i]):
 errorCount += 1
            }
        trainErr =errorCount/m #单个分类器的训练误差
    }

3. 最后预测
fname = ‘testDigits'
    trainingFileList = listdir(fname)  #加载文件
    m = len(trainingFileList)  #m个样本
    for i in range(m)
      {
        labelMat :=Function< trainingFileList > #m个原始标签
        trainingMat:=Function#样本空间（m,1024）
      }
    for k in range(m) #对每个样本都进行十个分类器预测
      {
        for j in range(10):
          {
            kernelEval = Function< kernelTrans(sVs[j],trainingMat[k,:])>
            predict[j]= Function#预测
            if sign(predict[j])==1:
                conindex.append(j) #记录十个分类器中预测值为1的分类器的序号
          }
        #下面根据分类器预测为1的分类器数量的三种情况，判断最终预测值
        if len(conindex)==0
          {
            all_error+=1  #分类器预测为1的数量为0，说明无法判断
          }
        if len(conindex)==1
          {
            finalpredict[k]=conindex[0]  #数量为1,分类器的序号也就是预测值
            if finalpredict[k]!=labelMat[k]:
{ all_error+=1 } #预测与实际不符，误差+1
          }
        if len(conindex)>1:
          {
            lenindex=len(conindex)
            for i in range(lenindex):
                y[i]=predict[conindex[i]] #把所有是1的不sign前的预测值放到一起
            chooseindex=conindex[y.index(max(y))] #找到预测值最大的那个，选择这个作为预测结果
            finalpredict[k]=chooseindex
            if  finalpredict[k]!=labelMat[k]
{ all_error+=1 } ##预测与实际不符，误差+1
          }
      }
    testErr = all_error/m #总判断错误的样本/总样本为测试误差

svm的运行时间很长，需要调整的参数多，例如：核函数的选择，krup的选择，不如KNN来得快速方便。