统计学习方法学习笔记第二章(感知机）

感知机是一个二分类的线性分类模型，是神经网络和支持向量机的基础。

考虑统计学习方法三要素：

模型：f(x) = sign(w*x+b)

策略：收敛前提条件：数据集是线性可分的

学习策略：考虑每一个点到超平面的距离：(二维的点到平面距离公式），对于分类错误的数据，yi*(w*xi_b)<0，则令损失函数为-Σyi*(w*xi+b)

算法：SGD,若分类错误则计算梯度然后更新。

算法的收敛性：

收敛次数k有上界(R/γ)^2，其中R是x1到xn中二阶范式的最大值，γ是满足对任意i，yi*(wopt * xi + bopt) >= γ的一个常数（由于判别是否分类正确的条件是yi*(wopt * xi + bopt) > 0, 所以肯定可以找到这样一个γ）

对偶形式的算法：

观察更新的过程可以发现，令αi = ni * η，则w = ∑ αi * yi * xi, b = ∑ αi * yi, 其中ni是算法运行过程中数据i被误分类的次数。

实际处理的过程中，可以预处理出Gram矩阵（作用是保存任意两个特征向量的叉积）

两种不同是算法对应的支持向量机的原始形式和对偶形式。

算法测试代码:

import random
import numpy as np
import math
import torch
import matplotlib.pyplot as plt

n = 10
k = -1
bias = 1
lr = 1


def line(x):
    return k * x + bias


def learn(x, y):
    w = np.random.randn(2)
    b = 0
    epoch = 0
    while True:
        flag = False
        count = 0
        for i in range(len(x)):
            if (y[i] * (np.dot(w, x[i]) + b)) <= 0:
                # print('updated')
                w = w + lr * y[i] * x[i]
                b = b + lr * y[i]
                flag = True
                count += 1
        if not flag:
            break
        epoch += 1
        print('epoch count', epoch, count)
    return w, b


Gram = np.zeros((n, n))


def dual_learn(x, y):
    alpha = np.zeros(n)
    b = 0
    epoch = 0
    while True:
        flag = False
        count = 0
        for i in range(len(x)):
            tot = 0
            for j in range(len(x)):
                tot += alpha[j] * y[j] * Gram[j][i]
            tot = y[i] * (tot + b)
            if tot <= 0:
                print('updated')
                alpha[i] += lr
                b += lr * y[i]
                flag = True
                count += 1
        if not flag:
            break
        epoch += 1
        print('epoch count', epoch, count)
    return alpha, b

if __name__ == '__main__':
    x = np.random.uniform(0, 1, (n, 2))
    y = np.zeros(n)
    for i in range(n):
        for j in range(n):
            Gram[i][j] = np.dot(x[i], x[j])
    print(Gram)
    for i in range(len(y)):
        if x[i][1] > line(x[i][0]):
            y[i] = 1
        else:
            y[i] = -1
    # plt.show()
    print(x, y)
    alpha, b = dual_learn(x, y)
    print(alpha)
    w = np.zeros(2)
    for i in range(n):
        w += alpha[i] * y[i] * x[i]
    vector = [0, 0]
    ax = plt.gca()
    ax.plot(x)
    plt.show()
    for i in range(10):
        vector[0] = float(input())
        vector[1] = float(input())
        # print(w)
        print(vector)
        print(np.dot(w, np.array(vector).astype('float64')) + b)

以y=-x+1（0 <= x <= 1， 0  <= y <= 1）为分界线，随机生成一些点进行标记，通过SGD进行更新。