线性分类器:
首先给出一个非常非常简单的分类问题(线性可分),我们要用一条直线,将下图中黑色的点和白色的点分开,很显然,图上的这条直线就是我们要求的直线之一(可以有无数条这样的直线)
假如说,我们令黑色的点 = -1, 白色的点 = +1,直线f(x) = w.x + b,这儿的x、w是向量,其实写成这种形式也是等价的f(x) = w1x1 + w2x2 … + wnxn + b, 当向量x的维度=2的时候,f(x) 表示二维空间中的一条直线, 当x的维度=3的时候,f(x) 表示3维空间中的一个平面,当x的维度=n > 3的时候,表示n维空间中的n-1维超平面。这些都是比较基础的内容,如果不太清楚,可能需要复习一下微积分、线性代数的内容。
刚刚说了,我们令黑色白色两类的点分别为+1, -1,所以当有一个新的点x需要预测属于哪个分类的时候,我们用sgn(f(x)),就可以预测了,sgn表示符号函数,当f(x) > 0的时候,sgn(f(x)) = +1, 当f(x) < 0的时候sgn(f(x)) = –1。
但是,我们怎样才能取得一个最优的划分直线f(x)呢?下图的直线表示几条可能的f(x)
一个很直观的感受是,让这条直线到给定样本中最近的点最远,这句话读起来比较拗口,下面给出几个图,来说明一下:
第一种分法:
第二种分法:
这两种分法哪种更好呢?从直观上来说,就是分割的间隙越大越好,把两个类别的点分得越开越好。就像我们平时判断一个人是男还是女,就是很难出现分错的情况,这就是男、女两个类别之间的间隙非常的大导致的,让我们可以更准确的进行分类。在SVM中,称为Maximum Marginal,是SVM的一个理论基础之一。选择使得间隙最大的函数作为分割平面是由很多道理的,比如说从概率的角度上来说,就是使得置信度最小的点置信度最大(听起来很拗口),从实践的角度来说,这样的效果非常好,等等。这里就不展开讲,作为一个结论就ok了,:)
上图被红色和蓝色的线圈出来的点就是所谓的支持向量(support vector)。
上图就是一个对之前说的类别中的间隙的一个描述。Classifier Boundary就是f(x),红色和蓝色的线(plus plane与minus plane)就是support vector所在的面,红色、蓝色线之间的间隙就是我们要最大化的分类间的间隙。
这里直接给出M的式子:(从高中的解析几何就可以很容易的得到了,也可以参考后面Moore的ppt)
另外支持向量位于wx + b = 1与wx + b = -1的直线上,我们在前面乘上一个该点所属的类别y(还记得吗?y不是+1就是-1),就可以得到支持向量的表达式为:y(wx + b) = 1,这样就可以更简单的将支持向量表示出来了。
当支持向量确定下来的时候,分割函数就确定下来了,两个问题是等价的。得到支持向量,还有一个作用是,让支持向量后方那些点就不用参与计算了。这点在后面将会更详细的讲讲。
在这个小节的最后,给出我们要优化求解的表达式:
||w||的意思是w的二范数,跟上面的M表达式的分母是一个意思,之前得到,M = 2 / ||w||,最大化这个式子等价于最小化||w||, 另外由于||w||是一个单调函数,我们可以对其加入平方,和前面的系数,熟悉的同学应该很容易就看出来了,这个式子是为了方便求导。
这个式子有还有一些限制条件,完整的写下来,应该是这样的:(原问题)
s.t的意思是subject to,也就是在后面这个限制条件下的意思,这个词在svm的论文里面非常容易见到。这个其实是一个带约束的二次规划(quadratic programming, QP)问题,是一个凸问题,凸问题就是指的不会有局部最优解,可以想象一个漏斗,不管我们开始的时候将一个小球放在漏斗的什么位置,这个小球最终一定可以掉出漏斗,也就是得到全局最优解。s.t.后面的限制条件可以看做是一个凸多面体,我们要做的就是在这个凸多面体中找到最优解。这些问题这里不展开,因为展开的话,一本书也写不完。如果有疑问请看看wikipedia。
二、转化为对偶问题,并优化求解:
这个优化问题可以用拉格朗日乘子法去解,使用了KKT条件的理论,这里直接作出这个式子的拉格朗日目标函数:
求解这个式子的过程需要拉格朗日对偶性的相关知识(另外pluskid也有一篇文章专门讲这个问题),并且有一定的公式推导,如果不感兴趣,可以直接跳到后面用蓝色公式表示的结论,该部分推导主要参考自plukids的文章。
首先让L关于w,b最小化,分别令L关于w,b的偏导数为0,得到关于原问题的一个表达式
将两式带回L(w,b,a)得到对偶问题的表达式
新问题加上其限制条件是(对偶问题):
这个就是我们需要最终优化的式子。至此,得到了线性可分问题的优化式子。
求解这个式子,有很多的方法,比如SMO等等。
摘自:http://www.cnblogs.com/LeftNotEasy/archive/2011/05/02/basic-of-svm.html