机器学习系列——（十）支持向量机

一、背景

支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是一种用于分类、回归和离群点检测等领域的监督学习方法。它最初由Vapnik和Cortes在1995年提出，被认为是机器学习领域中最成功的算法之一。

二、原理

2.1 线性SVM

我们先从最简单的线性支持向量机（Linear SVM）开始。对于一个二分类问题，假设训练数据集为D={(x1​,y1​),(x2​,y2​),...,(xn​,yn​)}，其中xi​∈Rd表示第i个样本的d个特征值，yi​∈{−1,1}表示第i个样本的类别标签。我们的目标是构建一个分类器f(x)，将样本x划分为正类或负类。线性支持向量机的基本思想是在特征空间中找到一个超平面，将不同类别的样本分开，并且使得超平面与离其最近的样本点之间的距离最大。这个距离也称为“间隔”（Margin）。

其中，w是超平面的法向量，b是截距，x+​和x−​分别表示正类和负类样本离超平面最近的点。它们满足以下条件：

将两式相减可得：

因此，超平面到离其最近的两个点的距离为：

SVM的目标就是最大化这个距离。同时，我们希望超平面能够将不同类别的样本分开，即对于所有i∈[1,n]，有：

这个条件可以理解为对于任意一个样本，如果它被正确分类，则它在超平面两侧的距离之和必须大于等于22。这个条件也称为“硬间隔”（Hard Margin）。

但是，在实际问题中，有些样本可能无法被线性分开。

这种情况下，我们可以通过引入松弛变量（Slack Variable）ξi​≥0来允许部分样本分类错误，同时惩罚这些错误分类的样本。具体地，对于样本i，我们希望：

同时，我们最小化所有ξi​的和，即∑i=1n​ξi​。这个条件也称为“软间隔”（Soft Margin）。

综上所述，线性支持向量机的目标就是最小化以下函数：

其中，C是一个超参数，用于平衡较大的间隔和较小的误分类损失。

2.2 非线性SVM

上面介绍了如何使用线性超平面将不同类别的样本分开。但是，如果样本在特征空间中的分布非线性，则无法通过简单的线性超平面进行分割。

这个时候，我们可以使用核函数（Kernel Function）将样本从原始特征空间映射到高维特征空间，然后在高维特征空间中找到一个线性超平面，将不同类别的样本分开。常用的核函数包括线性核、多项式核、径向基函数（Radial Basis Function，RBF）核等。以RBF核为例，它的定义如下：

其中，γ是一个超参数，控制了映射到高维空间后的数据分布。使用核函数的非线性支持向量机的目标可以表示为：

其中，ϕ(x)表示将样本x映射到高维特征空间后的结果。

2.3 求解

上面介绍了支持向量机的基本原理，但是如何求解最优超平面呢？这个问题可以通过拉格朗日对偶性（Lagrange Duality）来解决。具体地，我们可以将优化问题转化为对偶问题，然后通过对偶问题的求解来得到最优超平面的参数。

以线性支持向量机为例，它的对偶问题可以表示为：

其中，α=[α1​,α2​,...,αn​]是拉格朗日乘子向量。通过求解上述对偶问题，我们可以得到最优的α，然后利用以下公式计算权重向量w和截距b：

其中，S表示支持向量的集合。

2.4 核方法

当使用核函数进行非线性分类时，我们需要在高维空间中计算数据点之间的内积，这个计算量很大，不利于模型的实际应用。但是，由于核函数的形式比较简单，我们可以使用核技巧（Kernel Trick）来避免直接计算内积，而是通过计算核函数的值来间接计算内积。具体地，我们将样本集中的每个样本映射到高维特征空间中，并计算它们之间的内积，这样就可以得到核矩阵（Kernel Matrix），然后在求解对偶问题时使用核矩阵代替内积即可，从而避免了直接进行昂贵的高维计算。

三、应用

支持向量机在分类、回归和离群点检测等领域中有着广泛的应用。在分类问题中，SVM被广泛应用于图像分类、文本分类、生物信息学等领域。在回归问题中，SVM可以用于预测连续值的变量，例如房价预测、股票价格预测等。此外，由于支持向量机具有好的泛化性能和鲁棒性，在离群点检测等场景中也经常被使用。

四、总结

支持向量机是一种优秀的监督学习方法，其基本思想是在特征空间中找到一个超平面，将不同类别的样本分开，并且使得超平面与离其最近的样本点之间的距离最大。通过引入松弛变量和核函数等技巧，SVM可以处理线性和非线性分类问题。由于支持向量机具有好的泛化性能和鲁棒性，在实际应用中得到了广泛的应用。