详解支持向量机

作者|Anuj Shrivastav
编译|VK
来源|Medium

介绍

监督学习描述了一类问题，涉及使用模型来学习输入示例和目标变量之间的映射。如果存在分类问题，则目标变量可以是类标签，如果存在回归问题，则目标变量是连续值。一些模型可用于回归和分类。我们将在此博客中讨论的一种这样的模型是支持向量机，简称为SVM。我的目的是为你提供简单明了的SVM内部工作。

假设我们正在处理二分类任务。

可能有无限多的超平面可以将这两个类分开。你可以选择其中任何一个。但是这个超平面能很好地预测新查询点的类吗？你不认为离一个类很近的那个平面有利于另一个类吗？直观地说，分离两个类的最佳方法是选择一个超平面，该超平面与两个类中最近的点等距。

这就是SVM的作用！

支持向量机的核心思想是：

选择尽可能广泛地将+ve点与-ve点分开的超平面π。(ve代表vector，向量，也就是样本的向量)

设π是分离这两类的超平面，π+和π_是两个平行于π的超平面

π₊是当我们平行于π移动并与π最近的+ve点接触时得到的平面

π₋是当我们平行于π移动并接触到π的最近-ve点时得到的平面

d=margin = dist(π₊,π₋)

• SVM试图找到一个π来最大化间隔。

• 随着间隔的增加，泛化精度也随之提高。

支持向量

位于π₊或π₋上的点称为支持向量。

SVM数学公式

π： 边距最大化的超平面

π： wᵀx+b=0

设

π₊：wᵀx+b=+1

π₊上的任何点或在正方向远离π₊的任何点都标记为正

π₋：wᵀx+b=-1

π₋上的任何点或在负方向远离π₊的任何点都标记为负

优化问题为

现在，这看起来不错，但是，它只在我们的数据是线性可分时起作用。否则，我们将无法解决上述优化问题，也无法得到最优的w和b。

假设一个数据不是线性可分的场景：

因为这四个点，我们的优化问题永远不会得到解决，因为这些点yᵢ(wᵀx+b)不大于1。

这是因为我们的优化问题过于严格，它只解决线性可分数据。硬边距就是这种方法的名称。

那么，我们可以修改它吗？我们能不能稍微宽大一点，这样它就可以处理几乎线性可分的数据？

我们要做的是，我们做一个松弛变量ζᵢ(zeta)，对应于每个数据点，这样对于位于+ve区域的+ve点和位于-ve区域的-ve点，

ζᵢ=0。

这就给我们留下了错误的分类点和间隔内的点。

ζᵢ的含义，以图为例，当ζᵢ=2.5

这意味着pt.4在相反的方向上与它的正确超平面(在本例中为π₊)相距2.5个单位。

类似地，pt.1与最优超平面(本例中为π₋)的方向相反，距离为2.5个单位。

当ζᵢ增大时，该点在错误方向上离最优超平面更远。

改进优化问题

让我们把它分解

首先，约束条件：

我们知道，

现在：

和

c是超参数。

我们可以直观地认为优化问题为:

如果c值较高，则损失项的权重更大，从而导致数据的过拟合。

如果c值较低，则正则化项的权重较大，导致数据欠拟合。

SVM对偶形式

等等!我们怎么得到这个对偶形式的?

这都和最优化有关如果我们深入研究这个问题，我们就会偏离我们的目标。让我们在另一个博客中讨论这个对偶形式。

为什么我们需要这个对偶形式?

对偶形式有时更容易解决，如果对偶间隙非常小，我们会得到相似的结果。特别是支持向量机:对偶形式非常重要，因为它通过核函数开启了一种解释支持向量机的新方法(我将在本博客的后面部分告诉你)。

注意：在对偶形式中，所有xᵢ都以点积的形式出现，不像原始形式中所有xᵢ都作为独立点出现。

αᵢ可以被认为是一个拉格朗日乘数

观察对偶形式:

• 对于每个xᵢ,有相应的αᵢ
• 所有xᵢ都是点积的形式
• 我们对一个新点的分类方式改变如下:
  
• 支持向量αᵢ>0，非支持向量αᵢ=0。

这意味着只有支持向量才是重要的，这就是将该模型命名为支持向量机的原因。

现在，以对偶形式

因此，如果给出一个相似矩阵，我们可以使用对偶形式，而不是原始形式。这就是支持向量机的优点。通常，这种相似性(xᵢ，xⱼ)被K(xᵢ，xⱼ)代替，其中K称为核函数。

核技巧及其背后的直觉

用核函数K(xᵢ，xⱼ)替换相似性(xᵢ，xⱼ)称为核化，或应用核技巧。

如果你看它，它只是计算xᵢ和xⱼ的点积。那么，有什么了不起的？

让我们以下面的数据集为例。

很明显，在线性模型的帮助下，这两个类是不能分离的。

现在，将数据集转换为具有 <x₁²,x₂²,2x₁x₂> 的特征的多维数据集。

你看到了吗？应用适当的特征变换和增加维数使数据线性可分。

这就是核支持向量机的作用。它将原始特征映射到一个高维空间中，在该空间中找到间隔最大的超平面，并将该超平面映射到原始维空间中，得到一个非线性决策曲面，而不必实际访问该高维空间。

所以

线性支持向量机：在xᵢ的空间中寻找间隔最大化超平面

核支持向量机：在xᵢ的变换空间中寻找间隔最大化超平面

因此，核支持向量机也能求解非线性可分数据集。

让我们看看支持向量机中使用的一些核函数-

多项式核

定义如下：

其中

d=数据维度

c=常数

对于二次核，设c=1，即

当维度为2

这可以被认为是2个向量x₁和x₂的乘积，其中:

现在维度=d’=6

因此，核化与特征转换是一样的，但通常是d’>d，核化是在内部隐式地完成的。

径向基函数（RBF核）

它是最受欢迎的核，因为你无法确定要选择哪个核时，可以选择它

定义如下：

d的效果：

当d增大时，指数部分的分子减小，换句话说，K值或相似度减小。

σ的影响:

如果你注意,当σ=0.3,在x=2，接近于0。在x = 4，σ= 1时和x = 11，σ= 10，它接近0。这表明当σ增加时,即使两个点是很远,相似的score可能也不会很低。

例如假设有两个点x₁和x₂的距离为4个单元。如果我们应用σ= 0.3的RBF核,核函数K值或相似值是0。如果我们设置σ= 1,K值很接近0,但如果我们设置σ= 10，K值约为0.4左右。

现在说明RBF核背后的直觉

还记得我们在使用多项式核函数时得到的6维映射函数吗?现在让我们尝试找出RBF核的一个映射函数。

为了简化数学，假设原始数据的维数为2，指数部分的分母为1。在这种情况下,

如果我们试图找出RBF核的映射函数，就会得到一个无限向量。这意味着RBF核需要我们的数据映射到无限维的空间,计算相似性得分并返回它,这就是为什么如果你不知道选择哪个核,RBF核函数将是最安全的选择。

用于回归的SVM

到目前为止，我们已经研究了如何使用支持向量机执行分类任务。但支持向量机不仅限于此。它也可以用来执行回归任务。怎样？让我们看看！

首先，让我们看看支持向量回归（SVR）的数学公式

别担心!我帮助你理解。

SVR的工作方式是,它试图找到一个最适合的数据点的超平面,同时保持一个软间隔=ε(超参数),这意味着所有的点都应该在超平面两侧ε距离。

最小化这里的边界意味着我们想要找到一个超平面，这个超平面以较低的误差来匹配数据。

注意:平方是为了使函数变得可微并适合于优化。对于SVC也可以这样做。

这个公式有什么问题?

这里的问题是,我们太严格,我们期望的点位于ε超平面的距离在现实世界并不经常发生。在这种情况下，我们将无法找到所需的超平面。那么，我们该怎么做呢?

与我们在SVC中处理这个问题的方法相同，我们将为法向点引入两个松弛变量ζ和ζ*，以允许某些点位于范围之外，但会受到惩罚。

所以数学公式现在变成：

其中C确定所需的严格程度。C值越大，对边距外的点的惩罚就越多，这可能导致数据的过度拟合。更少的C意味着对边缘以外的点的惩罚更少，这可能导致数据拟合不足。

与SVC中一样，图显示了SVR的原始形式。结果表明，对偶形式更易于求解，并且可以利用核技巧求出非线性超平面。

正如我已经说过的，对偶形式的公式是有点棘手的，涉及解决约束优化问题的知识。我们不会深入讨论太多细节，因为这会转移我们对支持向量机的注意力。

SVR对偶形式

这是通过使用拉格朗日乘子求解优化问题得到的。

对于一个新的点，我们计算输出值的方法是:

你有没有注意到,xᵢ是点积的形式?是的，和我们在SVC中得到的一样。我们可以用前面提到的相似度或核函数来代替这个点积。应用核技巧还可以帮助我们拟合非线性数据。

支持向量机的各种情况

1. 特征工程和特征转换，这是通过找到上面讨论的正确的核来实现的

2. 决策面，对于线性支持向量机:决策曲面只是一个超平面，对于核支持向量机:它将是一个非线性曲面

3. 相似函数/距离函数，支持向量机的原始形式不能处理相似函数。然而,因为xᵢ点积的存在形式，对偶形式可以很容易地处理它。

4. 特征的重要性，如果特征不是共线的，那么权重向量w中特征的权重决定了特征的重要性。如果特征是共线的，可以使用前向特征选择或后向特征消除，这是确定任何模型特征重要性的标准方法。

5. 离群值，与其他模型如Logistic回归相比，支持向量机的影响较小。

6. 偏差-方差，它依赖于支持向量机对偶形式中c的值。

如果c值较高，则误差项的权重较大，因此模型可能会对数据进行过拟合；如果c值较低，则误差项的权重较小，模型可能会对数据进行欠拟合。

1. 高维度，支持向量机的设计可以很好地工作，即使在高维度。如图所示，支持向量机的数学公式中已经存在一个正则化项，有助于处理高维问题。你可能会说像KNN这样的其他模型并不适用于高维空间，那么SVMs有什么特别之处呢?这是因为支持向量机只关心找到使边距最大的平面，而不关心点之间的相对距离。

支持向量机的优点

• 它有一个正则化项，有助于避免数据的过拟合
• 它使用核技巧，这有助于处理甚至非线性数据(在SVR情况下)和非线性可分数据(在SVC情况下)
• 当我们不了解数据时，支持向量机是非常好的。
• 可以很好地处理非结构化和半结构化数据，比如文本、图像和树。
• 从某种意义上说，它是健壮的，即使在训练示例包含错误的情况下也能工作

支持向量机的局限性

• 选择正确的核是一项困难的任务。
• 支持向量机算法有多个超参数需要正确设置，以获得对任何给定问题的最佳分类结果。参数可能导致问题A的分类精度很好，但可能导致问题B的分类精度很差。
• 当支持向量机的数据点数目较大时，训练时间较长。
• 对于核支持向量机，其权向量w的解析比较困难。

参考

• https://alex.smola.org/papers/2004/SmoSch04.pdf
• https://www.saedsayad.com/support_vector_machine_reg.htm
• https://statinfer.com/204-6-8-svm-advantages-disadvantages-applications/
• http://www.cs.uky.edu/~jzhang/CS689/PPDM-Chapter2.pdf

原文链接：https://medium.com/@anujshrivastav97/demystifying-support-vector-machine-b04d202bf11e