机器学习——SVM详解（标准形式，对偶形式，Kernel及Soft Margin）

（写在前面：机器学习入行快2年了，多多少少用过一些算法，但由于敲公式太过浪费时间，所以一直搁置了开一个机器学习系列的博客。但是现在毕竟是电子化的时代，也不可能每时每刻都带着自己的记事本。如果可以掏出手机或iPad登陆网站就可以看到自己的一些笔记，才更有助于知识的巩固。借此机会，重新整理各大算法，希望自己能有更深的认识，如果有可能，也大言不惭的说希望能够帮助到需要帮助的朋友～）

 （本篇博客内容来自台大林轩田老师Coursera Machine Learning Technology视频及周志华老师Machine Learning西瓜书，转载请标明出处）

 一。SVM之起源（Support Vector Machine）

对于一个线性可分的数据集，使用感知器模型（PLA）可以得到一个线性的分类器：linear classifier: h(x) = sign(w^Tx)

但是PLA生成分类器的过程（如下图所示）是：

随机（Randomness）选取一个错误分类的数据点，更新分类器的参数。

但是这样的选择非常具有随机性，也就是说对于同一份数据集，每次用PLA算法训练的分类器可能都不一样，因此得到的分类器

可能如下图所示：

     

上图中的分类器都可能有PLA算法训练出来，但哪个是最好的呢？明眼人一看可能会说：第三个 ！没错。为什么这样说呢？

因为，我们的数据集并不能总是保证是严格线性可分的，里面可能会有一些噪声，如果选择第一个或者第二个分类器的话，

随便一丢丢噪声分类器将会识别不出来！

所以说，如果距离分类超平面（hyperlane）最近的数据点的距离（margin）越大，该分类器的噪声容忍度就越大，也就是越robust。

于是，我们的目标就变为了：在保证所有训练数据分类正确的前提下，最大化距离分类超平面最小距离。

形式化的表示为：

二。SVM的标准形式之产生

有了上面的分析，下面我们就要来求任一点到分类超平面的距离，然后使最小距离最大化。

（1.）点到超平面的距离

假设超平面的方程为：w^Tx^' + b = 0, 假设平面上的任意两点：x^' 和 x'' ，则两点都满足 w^Tx^' ＝ －b;  w^Tx^'' = -b;

w为超平面的法向量，  则有  w^T (x^'' - x^') = 0

那么，空间中的任意一点x到超平面的距离为x到超平面的一个向量到该超平面的单位法向量的投影，即：

所以，如果一个数据点与超平面的法向量同向，则乘积大于0；

         如果一个数据点与超平面的法向量反向，则乘积小于0.

即： y_n (w^Tx_n+b) > 0.

所以SVM问题可以表示为：

（2.）缩放（下面关于问题的缩放解释，将使用周老师西瓜书中的解释，个人感觉更加直观一些。）

将 y_n (w^Tx_n+b) > 0 扩大一点，变为下图的形式（原谅我发射暖黄(?)光线的小台灯）

这样，margin ＝ 2/||w||，而且只由边界上的点确定，这些点酒称为Support Vector.（这是个重要的结论，要牢记！！）

（3.）取倒数，将最大化问题变为最小化，得到如下SVM的标准形式：

三。使用QP解标准的SVM问题

通过以上的分析，我们得到了SVM的标准形式。那么，应该如何求解出参数w的最优解呢？

（1.）Gradient Decent？NoNoNo。因为这里是有s.t.条件的，无法找到一个下降的最优方向；

（2.）幸运的是，我们可以证明这个问题是convex凸函数

（3.）这类问题可以使用凸二次规划 quadratic programming(QP)的方法来求解。

求解方法如下：

QP的求解需要4个参数：Q(二次项系数), p(一次项系数), A(条件中的系数), c(条件中的常数)

将SVM的表达形式与之一一对应就可以了。得出四个系数之后，使用现在以后的计算包就可以轻而易举的解决SVM问题。

如果原始的数据资料集不是线性可分的怎么办？用Kernel Function将原始数据映射到线性空间中：z_n = Φ(x_n);

 （4.）与Regularization的对比：

对于正则化来说，目标是最小化Ein，但是担心会overfitting，因此给出一定的限制条件；

对于SVM来说，目标是最小化wTw，但是限制是Ein ＝ 0（或者稍微放松一下）.

（两者的限制和目标刚好相反）

四。Dual SVM

动机：对于一般的SVM来说，如果我们的初始数据集不是线性可分的，这时我们会需要核函数将数据相高维度映射一下。

（一般的核函数变换都是低维度－》高维度）那么如果对于一个映射之后的数据，如果它的维度非常大，将会对我们的SVM的QP求解造成很大的困难。因此我们的目标

是希望将SVM的形式转化一下，在问题性质不变的前提小，使问题的求解仍然在原来的数据维度中。

（1.）Lagrange Multiplier（拉格朗日乘子法）

拉格朗日乘子法的思想是：将带限制条件的优化问题用拉格朗日乘子整合到一起，然后将新加入的乘子也作为未知参数

然后将问题分别求偏导。

所以，用Lagrange Multiplier表示General SVM就是如下形式：

可能会有疑问，为什么可以将General SVM表示成拉格朗日乘子法呢？

这里给出一点直观上的分析：

• 目标是求w, b.  
  • 如果通过Lagrange Multiplier求得的w, b不满足左边General SVM的条件，则1-y_n(w^Tz_n+b)>0, 而α_n>=0,所以最大化L函数将会导致α趋向无穷；
  • 如果通过Lagrange Multiplier求得的w, b不满足左边General SVM的条件，则1-y_n(w^Tz_n+b)<0,而α_n>=0,所以最大化L函数将会导致α趋向0.
  • 两者的目标是一致的！

对于L(b,w,α) = 1/2w^Tw + Σα_n(1 - y_n(w^Tz_n+b)) 整体是一个二次函数，所以求一定条件下的最大值会非常麻烦，最好的办法是转化为求min。

下面的问题缩放的过程：

对上面图片的解释是：任意给出一个固定的α，则一堆α中最大的一定大于等于任意取出来的一个；

而对于取出的最好的一个α，所有的最大的中一定大于等于取出的这个最好的，所以，我们相当于将max, min换了一下位置。

将L(b, w, α)代入缩放后的式子：

对于上式，分别对b 和 w_i 求偏导得：

然后将两个等式带回缩放后的式子，就得到了需要满足KKT condition（Karush-Kuhn-Tucker的Dual SVM：

然后像求解General SVM问题一样，用QP凸二次规划解Dual SVM问题，因此将系数对应过去就可以求的我们新加入的α_n.（过程与General SVM的QP求解过程一致，这里不再赘述）

然后根据KKT条件的第三，第四个条件就可以求出w 与 b。

这里需要说明的一点：

• 第四个条件：α_n(1 - y_n(w^Tz_n+b)) ＝ 0 中 要么α_{n ＝ 0； 要么1 - yn(w^Tzn+b) ＝ 0；}
  • 再啰嗦一句：为什么会有这个条件呢？
    • 回到Lagrange Multiplier最初使用的地方：如果是不好的w, b，那么我们的式子会趋于无穷大；
    • 如果是好的w, b，那么我们的式子会趋于0，所有就得到了第四个条件的形式；
    • 这个条件是primal-inner optimal，是SVM本身就需要满足的一个条件，也称为complementary slackness条件。
  • 如果α_{n > 0，}则我们才有办法求出b，而这时有1 - y_n(w^Tz_n+b) ＝ 0 ！！
    • 1 - y_n(w^Tz_n+b) ＝ 0（α_{n > 0}）意味着我们使用的这些点刚刚好在边界上（如那张黄黄的照片所示），就是support vector啊！

• 满足α_{n > 0} 的那些点在boundary上，称为support vector
• w = Σα_n y_n z_n 所以，只有support vector才会用来计算w;
• b = y_n - w^Tz_n 所以，只有support vector才会用来计算b.
  

综上，SVM可以看作是这样一个问题：找出所有的support vector，然后用它们算出margin，其他的数据点一点都不重要。 

五。Kernel Support Vector Machine

对于一个线性不可分的资料，我们如果使用SVM作为分类器，则必须要使用Kernel function，将原来低维线性不可分的数据转换为高维线性可分的数据，所以直接使用SVM的QP求解方法将不可避免

的使用转换后的空间z_n，如果z_n维度特别高则会导致我们的计算非常复杂，因此想到使用Dual SVM来解决使用核函数的SVM来避免这种情况的发生。

那么，Dual SVM是如何避免在z_n空间做计算的呢？

（1.）对于上面第四部分我们求出的QP求解的Dual SVM是如下形式：

可以看到，在求Q矩阵的时候需要z_n与z_n的内积，我们是否有比较简单的方法可以将它简化一下呢？

 （2.）假设我们使用二次转换（多项式转换）将原来的数据集的各种表示形式列出来：

如图中红框内所示，只要我们需要求z_n与z_n的内积，我们都可以转化为在原来的数据空间中计算，所以对于二次转换来说，

相当于将O(d2)的时间计算复杂度降为了O(d)。

 （3.）下面我们来看一下w与b的计算过程是否一样可以简化呢？

所以，但凡需要求z_n与z_n的内积，我们都将转换到x空间中计算！！！

综上，Dual SVM确实可以简化含有核函数的QP计算过程。

下面开始导出Polynomial Kernel。

上面我们使用了Φ₂ ＝ （1, x_1, x_{2, ....,} x₁², _....., xd²), 如果在一次项或者二次项前面加入一些系数，就得到了Polynomial Kernel。

Φ₂ ＝ （1, √2r x_1, √2r x_{2, ....,} r x₁², _....., r xd²) 

更一般的形式写为：

K₂ (x, x^') = 1 + 2r x^Tx' + r²(x^Tx')² = (1 + rx^Tx')²

则General Polynomial Kernel SVM为：

• 需要注意的是，在Polynomial Kernel中有3个参数：ζ ， γ 和 Q，其中Q来控制SVM的复杂度。
• 与之前模型不同的是，在SVM世界中做10次的多项式会简单很多，确定ζ ， γ就可以轻而易举的计算；
• 但大家也会担心，太复杂的模型会不会overfitting？
  • 可能啊！但是SVM中有large margin的保证，会帮助我们稍微降低一下复杂度。

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 通过Dual SVM的分析，我们可以巧妙的将问题转化一下，使之可以不用直接在高维度的z空间内做计算而是直接在原来的x空间内计算。

那么，我们不需要care x空间转换后的z空间的维度是多少。可不可以将它转换到一个无限维度的空间里呢？Of course！

假设对于只有一个维度的数据集x，我们使用高斯变换：

 在第三步我们使用指数函数在0处的泰勒展开式，就把数据集映射到了无限维度里面，然后导出了我们需要的kernel的形式。

 所以对于一般形式的Gaussian Kernel，我们加入一个γ作为控制高斯核SVM的参数，得到如下形式：

然后将Kernel代入SVM做决策的函数里面，就得到了：

 所以，Gaussian Kernel相当于将所有的Support Vector做高斯变换后的线性组合，

由于有这个性质，所以Gaussian Kernel也称为Radial Basis Function(RBF) Kernel.

 但是使用Gaussian SVM特别需要注意γ的使用，因为大的γ会导致SVM更复杂，也就更容易overfitting，所以一定要慎用！

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比较Linear Kernel， Polynomial Kernel， Gaussian Kernel

•  Linear Kernel：K(x, x') = x^Tx'
  • 优点是：
    • safe（一般不太会overfitting，所以线性的永远是我们的首选方案）；
    • fast，可以直接使用General SVM的QP方法来求解，比较迅速；
    • explainable，可解释性较好，我们可以直接得到w, b，它们直接对应每个feature的权重。
  • 缺点是：
    • restrict：如果是线性不可分的资料就不太适用了！

• Polynomial Kernel: K(x, x') = (ζ + γx^Tx')^Q       
  • 优点是：
    • 我们可以通过控制Q的大小任意改变模型的复杂度，一定程度上解决线性不可分的问题；
  • 缺点是：
    • 含有三个参数，太多啦！

• Gaussian Kernel：K(x, x') = exp(-γ ||x - x'||²) 
  • 优点是：
    • powerful：比线性的kernel更powerful；
    • bounded：比多项式核更好计算一点；
    • one  parameter only：只有一个参数
  • 缺点是：
    • mysterious：与线性核相反的是，可解释性比较差（先将原始数据映射到一个无限维度中，然后找一个胖胖的边界，将所有的数据点分隔开？）
    • too powerful！如果选择了太大的γ，SVM希望将所有的数据都分开，将会导致产生太过复杂的模型而overfitting。

所以在实际应用中，一般是先使用线性的kernel，如果效果不好再使用gaussian kernel（小的γ）和多项式kernel（小的Q）。

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 如何自己来定义kernel呢？kernel应该满足什么样的条件呢？

首先回到kernel的意义上。

• kernel具有什么含义呢？
  • 实际是内积，表示的是两个数据点 x 和 x' 转换到z空间后的相似性
• 所以，什么样的是valid kernel呢？需要满足Mercer's consition:
  • symmetric
  • 核矩阵满足半正定性（positive semi-definite）
  • 核矩阵是指：
    • 

所以，满足了以上条件就可以定义自己的kernel function了～

六。Soft Margin Support Vector Machine

* 当训练数据线性可分时，通过硬间隔最大化(hard margin maximization)，学习一个线性的分类器，即线性可分支持向量机，又称为硬间隔支持向量机；
* 当训练数据近似线性可分时，通过软间隔最大化(soft margin maximization)，学习一个线性的分类器，即线性支持向量机，有称为软间隔支持向量机；
* 当训练数据不可分时，通过使用kernel trick及软间隔最大化，学习非线性支持向量机。

线性不可分

线性不可分意味着某些样本点$(x_{i}, y_{i})$不能满足函数间隔大于等于1的约束条件 -- $y_{i}(w^{T}x_{i}+b) ge 1$. 所以对每个样本点，引入一个松弛变量$xi_{i} ge 0$, 使函数间隔加上松弛变量大于等于1，这样约束条件变为：
$y_{i}(w^{T}x_{i}+b) ge 1 - xi_{i}$,
同时，对于每个松弛变量$xi_{i}$，要付出一个代价，目标函数由原来的$frac{1}{2}lVert w Vert^{2}$变为：
$frac{1}{2}lVert w Vert^{2} + Csum_{i=1}^{N}xi_{i}$
其中，C>0为惩罚参数。C越大表示对错误分类的惩罚力度越大，越小则表示惩罚力度越小。
目标函数表达的含义有：使$frac{1}{2}lVert w Vert^{2}$尽量小即间隔尽量大，同时使误分类点的个数尽量小。

Soft Margin SVM的标准形式
$min_{w, b, xi}frac{1}{2}lVert w Vert^{2} + Csum_{i=1}^{N}xi_{i}$
$s.t. y_{i}(w^{T}x_{i} + b) ge 1 - xi_{i}, i = 1,2,3...,N$
$s.t. xi_{i} ge 0$

 (未完待续)