SVM理解 | 易学教程

一、概念

支持向量机是学习策略的间隔最大化，可形式化为一个求解凸二次规划的问题，也等价于正则化的合页损失函数的最小化问题。支持向量机的学习算法是求解凸二次规划的最优化算法。

二、问题类型

1）训练数据线性可分时，通过硬间隔最大化，学习一个线性的分类器，叫线性可分支持向量机，又称硬间隔支持向量机。

2）当训练数据近似线性可分时，加入松弛变量，通过软间隔最大化，叫线性支持向量机，又称软间隔支持向量机。

3）当训练数据线性不可分时，通过使用核技巧及软间隔最大化，学习非线性支持向量机。

三、线性可分支持向量机

点(a₀,a₁)到直线或者平面w₀x₀+w₁x₁+b的距离如下：

换成向量形式为：

定义超平面(w,b)关于训练集T的几何间隔为超平面(w,b)关于T中所有样本点(x_i,y_i)的几何间隔之最小值，几何间隔一般是实例点到超平面的带符号的距离，当样本点被超平面正确分类时就是实例点到超平面的距离。

在线性可分时，r=|w·x+b|等价为y_i(w·x_i+b)，yi=±1，因为当样本被正确分类时，y_i(w·x_i+b)的乘积亦为正值，r又称为函数间隔

从上述点到平面的距离可以看出，当w和b成倍进行缩放的时候，距离是不变的，因为分子分母正好抵消。所以为了方便计算与优化，我们对w和b进行缩放，让离超平面最近的点(包含正负样本)的函数距离r=1，这样y_i(w·x_i+b)≥1恒成立。在满足函数间隔都大于等于1的情况下，我们力求几何间隔最大化，因为几何间隔最大，在图形上直观显示就是所有点离超平面都尽可能远，分类的置信度就越高。所以我们的优化目标变为：

转化为求最小值如下：

这是一个约束条件下求极值的凸二次规划问题，可以采用拉格朗日对偶性方法求极值，最后就得到超平面w*·x+b*=0及分类决策函数f(x)=sign(w*·x+b*),即线性可分支持向量机。

拉格朗日对偶性求解：

优化目标（拉格朗日不等式约束条件下求极值，条件不等式必须转化为≤0的形式）：

定义拉格朗日函数：

根据拉格朗日对偶性，原始问题的对偶问题是极大极小问题：

步骤如下：

1）求minL(w,b,α)，将拉格朗日函数L分别对w,b求偏导数并令其等于0，可以求得w和b

2）将求得的w和b带入拉格朗日函数，变成了只有α的函数，再求对α的极大值

求解得：

知识点

1、最大超平面是有几个，哪些是支持向量？

最大分离超平面存在且唯一。支持向量就是函数间隔为1的那些点，在决定分离超平面时只有支持向量起作用，其它实例点不起作用，支持向量的个数很少，所以支持向量机由很少的"重要的"训练样本确定。

2.为什么起作用的只有支持向量？

1）首先，在对w,b进行缩放的时候，就是让离超平面最近的样本点也即支持向量的函数距离r=1，所以初始w,b的值就是有支持向量来确定的，然后再最大化几何间隔的时候，也是在r=1的前提下，最大化超平面和支持向量的几何间隔距离，其它样本点根本没有参与到优化当中。

2）其次，在拉格朗日对偶求解过程中，满足kkt条件才能求得原问题最优解，1-y_i(w*·x_i+b*≤0，α_i*(1-y_i(w*·x_i+b*))=0，如果α_i都等于0，这求得的权重w=0，b=0，显然不是最优超平面，所有必有α_i>0出现，而这个时候1-y_i(w*·x_i+b*)就等于0，所以这些点就是支持向量，最后求解的w就是根据支持向量求得的。

四、线性支持向量机

线性可分问题的支持向量机学习方法，对线性不可分训练数据是不适用的，因为这时上述方法中的不等式约束条件并不能成立，如下图所示：

从上图可知，线性不可分意味着样本点(x,y)不能满足函数间隔≥1的约束条件，正负样本点出现混杂在一起的情况，这个时候如果从中间画一个超平面，分错的样本点的函数间隔就会为负值。为了解决此问题，使其满足该条件，为每个样本都引入一个松弛变量ξ_i，ξ_i≥0。

当ξ_i=0时，代表样本点函数间隔正好为1；

当0<ξ_i<1时，代表样本点位于支持向量所在的线与超平面之间，分类依旧正确；

当ξ_i=1时，代表样本点位于分类超平面上。

当1<ξ_i时，代表样本点已经被分错。

也就是说松弛变量只为分错的点，以及函数间隔≤1的样本点设置，最终让他们的函数间隔等于1，所以ξ_i只可能≥0，不可能小于0。

加入松弛变量后，约束条件就变为：

同时，对每个松弛变量ξ_i，在目标函数中支持一个代价，最终优化目标如下：

C>0称为惩罚参数，C值增大对误分类的惩罚增大，C值小时对误分类的惩罚减小。最优化目标的含义为：使1/2||w||²尽量小即间隔尽量大的情况下，同时使误分类点的个数尽量少。

求解依然采用拉格朗日对偶法，同上述线性可分支持向量机。

知识点

1.为什么要引入松弛变量？

可以参考上述线性不可分的图例，中间混杂了很多正负样本点，属于近似线性可分但又不能线性可分的情况，这个时候无法按照线性可分的约束条件进行求解，为了转变为线性可分条件，才引入了松弛变量。另外引入松弛变量可以防止过拟合，同样参考上述图例，如果将混杂的样本点完全分开，就会画出一条曲曲折折的曲线，而这样的曲线并不一定是真正两种类别的合理分割线或者说分割面，中间混杂的部分有可能是噪音数据，所以不能完全迎合这些样本点来画分割面，避免陷入过拟合状态。合理的方法，就是图例所画的超平面，引入松弛变量，在混杂数据中间画一条超平面，让大部分数据能够分开即可，不迎合一部分噪音数据。

合页损失函数(hinge loss)

Hinge loss专用于二分类问题，y为真实label，y^为预测值，函数如下：

当预测值被完全正确分为±1的时候，损失最小loss=0，当正样本预测值为0.9，loss=0.1；当正样本预测值为-0.8，这个时候样本已经被误分，loss=1.8损失变得比较大。

从上述图示看得出，当样本点的函数间隔≥1时候，loss就开始持续为0；当函数间隔<1的时候，loss就越来越大。

SVM可以通过直接最小化合页损失函数求得最优的分离超平面，目标函数如下：

其等价于上述引入松弛变量的优化函数，证明如下：

　　令1-y_i(w·x_i+b)=ξ_i，通过前面松弛变量部分可得知，ξ_i的值只可能≥0，这个跟max(0,1-y_i(w·x_i+b))取值一致，而且其实就是一模一样的取值，因为通过前面松弛变量部分可知，松弛变量只为那些函数间隔≤1的样本点设置，而最终设置值就是让他们函数间隔r=1，所以这些样本点1-y_i(w·x_i+b)=ξ_i，而起作用的样本点就是这些函数间隔r=1的样本点，其它r＞1的样本点完全不起作用。所以上述合页损失函数可以变为如下：