(十二)支持向量机(Support Vecor Machine)4

支持向量机原理(四)

  在SVM的前三篇里,我们优化的目标函数最终都是一个关于 α 向量的函数。而怎么极小化这个函数,求出对应的 α 向量,进而求出分离超平面我们没有讲。本篇就对优化这个关于 α 向量的函数的SMO算法做一个总结。

1. 回顾SVM优化目标函数

  我们首先回顾下我们的优化目标函数:

m i n α   1 2 i = 1 , j = 1 m α i α j y i y j K ( x i , x j ) i = 1 m α i

s . t . i = 1 m α i y i = 0

0 α i C

  我们的解要满足的KKT条件的对偶互补条件为:
α i ( y i ( w T x i + b ) 1 + ξ i ) = 0

  根据这个 KKT条件的对偶互补条件,我们有:
α i = 0 y i ( w ϕ ( x i ) + b )     1
0 < α i   < C   y i ( w ϕ ( x i ) + b )   =   1

α i =   C y i ( w ϕ ( x i ) + b )   1

  由于 w = j = 1 m α j y j ϕ ( x j ) ,我们令 g ( x ) = w ϕ ( x ) + b = j = 1 m α j y j K ( x , x j ) + b ,则有:
α i = 0 y i g ( x i )     1

0 < α i   < C   y i g ( x i )     =   1

α i =   C y i g ( x i )     1

2. SMO算法的基本思想

  上面这个优化式子比较复杂,里面有m个变量组成的向量 α 需要在目标函数极小化的时候求出。直接优化时很难的。SMO算法则采用了一种启发式的方法。它每次只优化两个变量,将其他的变量都视为常数。由于 i = 1 m α i y i = 0 .假如将 α 3 , α 4 , . . . , α m  固定,那么 α 1 , α 2 之间的关系也确定了。这样SMO算法将一个复杂的优化算法转化为一个比较简单的两变量优化问题。
  为了后面表示方便,我们定义 K i j = ϕ ( x i ) ϕ ( x j )
  由于 α 3 , α 4 , . . . , α m 都成了常量,所有的常量我们都从目标函数去除,这样我们上一节的目标优化函数变成下式:

m i n α 1 , α 1 1 2 K 11 α 1 2 + 1 2 K 22 α 2 2 + y 1 y 2 K 12 α 1 α 2 ( α 1 + α 2 )   + y 1 α 1 i = 3 m y i α i K i 1 + y 2 α 2 i = 3 m y i α i K i 2

s . t . α 1 y 1 +   α 2 y 2 = i = 3 m y i α i = ς

0 α i C i = 1 , 2

3. SMO算法目标函数的优化

  为了求解上面含有这两个变量的目标优化问题,我们首先分析约束条件,所有的 α 1 , α 2 都要满足约束条件,然后在约束条件下求最小。
  根据上面的约束条件 α 1 y 1 + α 2 y 2 = ς 0 α i C i = 1 , 2 ,又由于 y 1 , y 2 均只能取值1或者-1, 这样 α 1 , α 2 在[0,C]和[0,C]形成的盒子里面,并且两者的关系直线的斜率只能为1或者-1,也就是说 α 1 , α 2 的关系直线平行于[0,C]和[0,C]形成的盒子的对角线,如下图所示:

SMO1

  由于 α 1 , α 2 的关系被限制在盒子里的一条线段上,所以两变量的优化问题实际上仅仅是一个变量的优化问题。不妨我们假设最终是 α 2 的优化问题。由于我们采用的是启发式的迭代法,假设我们上一轮迭代得到的解是 α 1 o l d , α 2 o l d ,假设沿着约束方向 α 2 未经剪辑的解是 α 2 n e w , u n c .本轮迭代完成后的解为 α 1 n e w , α 2 n e w
  由于 α 2 n e w 必须满足上图中的线段约束。假设L和H分别是上图中 α 2 n e w 所在的线段的边界。那么很显然我们有:

L α 2 n e w H

  而对于L和H,我们也有限制条件如果是上面左图中的情况,则
L = m a x ( 0 , α 2 o l d α 1 o l d ) H = m i n ( C , C + α 2 o l d α 1 o l d )

  如果是上面右图中的情况,我们有:
L = m a x ( 0 , α 2 o l d + α 1 o l d C ) H = m i n ( C , α 2 o l d + α 1 o l d )

  也就是说,假如我们通过求导得到的 α 2 n e w , u n c ,则最终的 α 2 n e w 应该为:
α 2 n e w = { H α 2 n e w , u n c   > H α 2 n e w , u n c L α 2 n e w , u n c   H L α 2 n e w , u n c < L

  那么如何求出 α 2 n e w , u n c 呢?很简单,我们只需要将目标函数对 α 2 求偏导数即可。首先我们整理下我们的目标函数,为了简化叙述,我们令
E i = g ( x i ) y i = j = 1 m α j y j K ( x i , x j ) + b y i

  其中 g ( x ) 就是我们在第一节里面的提到的
g ( x ) = w ϕ ( x ) + b = j = 1 m α j y j K ( x , x j ) + b

  我们令
v i = i = 3 m y j α j K ( x i , x j ) = g ( x i )   i = 1 2 y j α j K ( x i , x j ) b

  这样我们的优化目标函数进一步简化为:
W ( α 1 , α 2 ) = 1 2 K 11 α 1 2 + 1 2 K 22 α 2 2 + y 1 y 2 K 12 α 1 α 2 ( α 1 + α 2 )   + y 1 α 1 v 1 +   y 2 α 2 v 2

  由于 α 1 y 1 + α 2 y 2 = ς ,并且 y i 2 = 1 ,可以得到 α 1 α 2 表达的式子为:
α 1 = y 1 ( ς   α 2 y 2 )

  将上式带入我们的目标优化函数,就可以消除 α 1 ,得到仅仅包含 α 2 的式子。
W ( α 2 ) = 1 2 K 11 ( ς   α 2 y 2 ) 2 + 1 2 K 22 α 2 2 + y 2 K 12 ( ς   α 2 y 2 ) α 2 ( α 1 + α 2 )   + ( ς   α 2 y 2 ) v 1 +   y 2 α 2 v 2

  忙了半天,我们终于可以开始求 α 2 n e w , u n c 了,现在我们开始通过求偏导数来得到 α 2 n e w , u n c
W α 2 = K 11 α 2 +   K 22 α 2 2 K 12 α 2   K 11 ς   y 2 + K 12 ς   y 2 + y 1 y 2 1 v 1 y 2 + y 2 v 2 = 0

  整理上式有:
( K 11 + K 22 2 K 12 ) α 2 = y 2 ( y 2 y 1 + ς   K 11   ς   K 12 + v 1 v 2 )

=   y 2 ( y 2 y 1 + ς   K 11   ς   K 12 + ( g ( x 1 )   j = 1 2 y j α j K 1 j b ) ( g ( x 2 )   j = 1 2 y j α j K 2 j b ) )

  将 ς = α 1 y 1 + α 2 y 2 带入上式,我们有:
( K 11 + K 22 2 K 12 ) α 2 n e w , u n c = y 2 ( ( K 11 + K 22 2 K 12 ) α 2 o l d y 2 + y 2 y 1 + g ( x 1 ) g ( x 2 ) )

= ( K 11 + K 22 2 K 12 )   α 2 o l d + y 2 ( E 1 E 2 )

  我们终于得到了 α 2 n e w , u n c 的表达式:
α 2 n e w , u n c = α 2 o l d + y 2 ( E 1 E 2 ) K 11 + K 22 2 K 12

  利用上面讲到的 α 2 n e w , u n c α 2 n e w 的关系式,我们就可以得到我们新的 α 2 n e w 了。利用 α 2 n e w α 1 n e w 的线性关系,我们也可以得到新的 α 1 n e w

4. SMO算法两个变量的选择

  SMO算法需要选择合适的两个变量做迭代,其余的变量做常量来进行优化,那么怎么选择这两个变量呢?

4.1 第一个变量的选择

  SMO算法称选择第一个变量为外层循环,这个变量需要选择在训练集中违反KKT条件最严重的样本点。对于每个样本点,要满足的KKT条件我们在第一节已经讲到了:

α i = 0 y i g ( x i ) 1

0 < α i < C y i g ( x i ) = 1

α i = C y i g ( x i ) 1

  一般来说,我们首先选择违反 0 < α i < C y i g ( x i ) = 1 这个条件的点。如果这些支持向量都满足KKT条件,再选择违反 α i = 0 y i g ( x i ) 1 α i = C y i g ( x i ) 1 的点。

4.2 第二个变量的选择

  SMO算法称选择第二一个变量为内层循环,假设我们在外层循环已经找到了 α 1 , 第二个变量 α 2 的选择标准是让 | E 1 E 2 | 有足够大的变化。由于 α 1 定了的时候, E 1 也确定了,所以要想 | E 1 E 2 | 最大,只需要在 E 1 为正时,选择最小的 E i 作为 E 2 , 在 E 1 为负时,选择最大的 E i 作为 E 2 ,可以将所有的 E i 保存下来加快迭代。
  如果内存循环找到的点不能让目标函数有足够的下降, 可以采用遍历支持向量点来做 α 2 ,直到目标函数有足够的下降, 如果所有的支持向量做 α 2 都不能让目标函数有足够的下降,可以跳出循环,重新选择 α 1

4.3 计算阈值b和差值 E i

  在每次完成两个变量的优化之后,需要重新计算阈值b。当 0 α 1 n e w C 时,我们有

y 1 i = 1 m α i y i K i 1 b 1 = 0

  于是新的 b 1 n e w 为:
b 1 n e w = y 1 i = 3 m α i y i K i 1 α 1 n e w y 1 K 11 α 2 n e w y 2 K 21

  计算出 E 1 为:
E 1 = g ( x 1 ) y 1 = i = 3 m α i y i K i 1 + α 1 o l d y 1 K 11 + α 2 o l d y 2 K 21 + b o l d y 1

  可以看到上两式都有 y 1 i = 3 m α i y i K i 1 ,因此可以将 b 1 n e w E 1 表示为:
b 1 n e w = E 1 y 1 K 11 ( α 1 n e w α 1 o l d ) y 2 K 21 ( α 2 n e w α 2 o l d ) + b o l d

  同样的,如果 0 < α 2 n e w < C , 那么有:
b 2 n e w = E 2 y 1 K 12 ( α 1 n e w α 1 o l d ) y 2 K 22 ( α 2 n e w α 2 o l d ) + b o l d

  最终的 b n e w 为:
b n e w = b 1 n e w + b 2 n e w 2

  得到了 b n e w 我们需要更新 E i :
E i = S y j α j K ( x i , x j ) + b n e w y i

  其中,S是所有支持向量 x j 的集合。

5. SMO算法总结

  输入是m个样本 ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) , . . . , ( x m , y m ) , ,其中x为n维特征向量。y为二元输出,值为1,或者-1.精度e。输出是近似解 α

  1. 取初值 α 0 = 0 , k = 0
  2. 按照4.1节的方法选择 α 1 k ,接着按照4.2节的方法选择 α 2 k ,求出新的 α 2 n e w , u n c
    α 2 n e w , u n c = α 2 k + y 2 ( E 1 E 2 ) K 11 + K 22 2 K 12 )
  3. 按照下式求出 α 2 k + 1
    α 2 k + 1 = { H α 2 n e w , u n c > H α 2 n e w , u n c L α 2 n e w , u n c H L α 2 n e w , u n c < L
  4. 利用 α 2 k + 1 α 1 k + 1 的关系求出 α 1 k + 1
  5. 按照4.3节的方法计算 b k + 1 E i
  6. 在精度e范围内检查是否满足如下的终止条件:
    i = 1 m α i y i = 0

    0 α i C , i = 1 , 2... m

    α i k + 1 = 0 y i g ( x i ) 1

    0 < α i k + 1 < C y i g ( x i ) = 1

    α i k + 1 = C y i g ( x i ) 1
  7. 如果满足则结束,返回 α k + 1 ,否则转到步骤2

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