本文借鉴大神的博客,讲的非常好~SVM入门(一)至(三)Refresh - Jasper's Java Jacal - BlogJava
要是我的文章讲的不够清晰,欢迎大家也去看看大神的文章。
已经看过一些SVM的帖子或者资料的同学应该看到过这张图,这是一个二维的图像:
正方形和圆形是不同的样本,中间的直线就是将这两个样本分割的函数。为什么叫他线性的,因为他是一个直线。那么在三维中,线性的分类函数就是一个平面。
我们设这条线的方程为
我们可以取阈值为0,这样当有一个样本xi需要判别的时候,我们就看g(xi)的值。若g(xi)>0,就判别为类别C1,若g(xi)<0,则判别为类别C2(等于的时候我们就拒绝判断,呵呵)。此时也等价于给函数g(x)附加一个符号函数sgn(),即f(x)=sgn [g(x)]是我们真正的判别函数。
sgn函数的图像(不重要)
关于g(x)=wx+b这个表达式要注意三点:一,式中的x不是二维坐标系中的横轴,而是样本的向量表示,例如一个样本点的坐标是(3,8),则xT=(3,8) ,而不是x=3(一般说向量都是说列向量,因此以行向量形式来表示时,就加上转置)。二,这个形式并不局限于二维的情况,在n维空间中仍然可以使用这个表达式,只是式中的w成为了n维向量(在二维的这个例子中,w是二维向量,为了表示起来方便简洁,以下均不区别列向量和它的转置,聪明的读者一看便知);三,g(x)不是中间那条直线的表达式,中间那条直线的表达式是g(x)=0,即wx+b=0,我们也把这个函数叫做分类面。
中间那条分界线并不是唯一的,我们把它稍微旋转一下,只要不把两类数据分错,仍然可以达到上面说的效果,稍微平移一下,也可以。此时就牵涉到一个问题,对同一个问题存在多个分类函数的时候,哪一个函数更好呢?显然必须要先找一个指标来量化“好”的程度,通常使用的都是叫做“分类间隔”的指标。
在进行文本分类的时候,我们可以让计算机这样来看待我们提供给它的训练样本,每一个样本由一个向量(就是那些文本特征所组成的向量)和一个标记(标示出这个样本属于哪个类别)组成。如下:
Di=(xi,yi)
xi就是文本向量(不限制维数,暂时可以想成二维或者三维),yi就是分类标记,不是y坐标。
在二元的线性分类中(上图的正方形和圆形),这个表示分类的标记只有两个值,1和-1(用来表示属于还是不属于这个类)。有了这种表示法,我们就可以定义一个样本点到某个超平面的间隔:
δi=yi(wxi+b) 这是一个公式,一个距离的表示方法,不要死磕为什么距离要这样表示。
这个公式乍一看没什么神秘的,也说不出什么道理,只是个定义而已,但我们做做变换,就能看出一些有意思的东西。
首先注意到如果某个样本属于该类别的话,那么wxi+b>0(记得么?这是因为我们所选的g(x)=wx+b就通过大于0还是小于0来判断分类),而yi也大于0;若不属于该类别的话,那么wxi+b<0,而yi也小于0,这意味着yi(wxi+b)总是大于0的,而且它的值就等于|wxi+b|!(也就是|g(xi)|)
现在把w和b进行一下归一化,即用w/||w||和b/||w||分别代替原来的w和b,那么间隔就可以写成
这个公式是不是看上去有点眼熟?没错,这不就是解析几何中点xi到直线g(x)=0(记住,这个表达式不是二维坐标系中 g(x)与x轴相交,g(x)中的x是一个向量(横坐标,纵坐标),g(x)的结果是y,y是分类目标,g(x)=0就是没有分类,谁也不是,(它不是卡在中间嘛)。)的距离公式嘛!(推广一下,是到超平面g(x)=0的距离, g(x)=0就是上节中提到的分类超平面)
小Tips:||w||是什么符号?||w||叫做向量w的范数,范数是对向量长度的一种度量。我们常说的向量长度其实指的是它的2-范数,范数最一般的表示形式为p-范数,可以写成如下表达式
向量w=(w1, w2, w3,…… wn)
它的p-范数为
当用归一化的w和b代替原值之后的间隔有一个专门的名称,叫做几何间隔,几何间隔所表示的正是点到超平面的欧氏距离,我们下面就简称几何间隔为“距离”。以上是单个点到某个超平面的距离(就是间隔,后面不再区别这两个词)定义,同样可以定义一个点的集合(就是一组样本)到某个超平面的距离为此集合中离超平面最近的点的距离。下面这张图更加直观的展示出了几何间隔的现实含义:
H是分类面,而H1和H2是平行于H,且过离H最近的两类样本的直线,H1与H,H2与H之间的距离就是几何间隔。
之所以如此关心几何间隔这个东西,是因为几何间隔与样本的误分次数间存在关系:
其中的δ是样本集合到分类面的间隔,R=max ||xi|| i=1,...,n,即R是所有样本中(xi是以向量表示的第i个样本)向量长度最长的值(也就是说代表样本的分布有多么广)。
先不必追究误分次数的具体定义和推导过程,只要记得这个误分次数一定程度上代表分类器的误差。而从上式可以看出,误分次数的上界由几何间隔决定!(当然,是样本已知的时候)
至此我们就明白为何要选择几何间隔来作为评价一个解优劣的指标了,原来几何间隔越大的解,它的误差上界越小。因此最大化几何间隔成了我们训练阶段的目标,而且,与二把刀作者所写的不同,最大化分类间隔并不是SVM的专利,而是早在线性分类时期就已有的思想。
有了优化的目标,这个目标就是最大化几何间隔,但是看过一些关于SVM的论文的人一定记得什么优化的目标是要最小化||w||这样的说法,这是怎么回事呢?回头再看看我们对间隔和几何间隔的定义:
间隔:δ=y(wx+b)=|g(x)|(上一节有说到这个式子,忘了的回去翻翻)
几何间隔:
几何间隔与||w||是成反比的,因此最大化几何间隔与最小化||w||完全是一回事。而我们常用的方法并不是固定||w||的大小而寻求最大几何间隔,而是固定间隔(例如固定为1,要先给限制,理由在下文),寻找最小的||w||。
但实际上对于这个目标,我们常常使用另一个完全等价的目标函数来代替,那就是:
不难看出当||w||2达到最小时,||w||也达到最小,反之亦然(前提当然是||w||描述的是向量的长度,因而是非负的)。之所以采用这种形式,是因为后面的求解过程会对目标函数作一系列变换,而式(1)的形式会使变换后的形式更为简洁(正如聪明的读者所料,添加的系数二分之一和平方,皆是为求导数所需)。
接下来我们自然会问的就是,这个式子是否就描述了我们的问题呢?(回想一下,我们的问题是有一堆点,可以被分成两类,我们要找出最好的分类面)
如果直接来解这个求最小值问题,很容易看出当||w||=0的时候就得到了目标函数的最小值。但是你也会发现,无论你给什么样的数据,都是这个解!反映在图中,就是H1与H2两条直线间的距离无限大,这个时候,所有的样本点(无论正样本还是负样本)都跑到了H1和H2中间,而我们原本的意图是,H1右侧的被分为正类,H2 左侧的被分为负类,位于两类中间的样本则拒绝分类(拒绝分类的另一种理解是分给哪一类都有道理,因而分给哪一类也都没有道理)。这下可好,所有样本点都进入了无法分类的灰色地带。
造成这种结果的原因是在描述问题的时候只考虑了目标,而没有加入约束条件,约束条件就是在求解过程中必须满足的条件,体现在我们的问题中就是样本点必须在H1或H2的某一侧(或者至少在H1和H2上),而不能跑到两者中间。我们前文提到过把间隔固定为1,这是指把所有样本点中间隔最小的那一点的间隔定为1(这也是集合的间隔的定义,有点绕嘴),也就意味着集合中的其他点间隔都不会小于1,按照间隔的定义,满足这些条件就相当于让下面的式子总是成立:
yi[(w·xi)+b]≥1 (i=1,2,…,l) (l是总的样本数)
但我们常常习惯让式子的值和0比较,因而经常用变换过的形式:
yi[(w·xi)+b]-1≥0 (i=1,2,…,l) (l是总的样本数)
因此我们的两类分类问题也被我们转化成了它的数学形式,一个带约束的最小值的问题:
最求目标函数最小化,还有约束条件,聪明的读者一下子就会想到高数中的条件极值,就会想到拉格朗日乘数法。咱们下一节接着说。
指路:
SVM支持向量机详解(二)_yonsan_的博客-CSDN博客