[机器学习] 支持向量机通俗导论节选（一）

本文转载自：http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/7624837

                    支持向量机通俗导论（理解SVM的三层境界）

作者：July、pluskid ；致谢：白石、JerryLead
出处：结构之法算法之道blog。

第一层、了解SVM

1.0、什么是支持向量机SVM

    要明白什么是SVM，便得从分类说起。

    分类作为数据挖掘领域中一项非常重要的任务，它的目的是学会一个分类函数或分类模型(或者叫做分类器)，而支持向量机本身便是一种监督式学习的方法(至于具体什么是监督学习与非监督学习，请参见此系列Machine L&Data Mining第一篇)，它广泛的应用于统计分类以及回归分析中。

    支持向量机（SVM）是90年代中期发展起来的基于统计学习理论的一种机器学习方法，通过寻求结构化风险最小来提高学习机泛化能力，实现经验风险和置信范围的最小化，从而达到在统计样本量较少的情况下，亦能获得良好统计规律的目的。

    通俗来讲，它是一种二类分类模型，其基本模型定义为特征空间上的间隔最大的线性分类器，即支持向量机的学习策略便是间隔最大化，最终可转化为一个凸二次规划问题的求解。

    对于不想深究SVM原理的同学或比如就只想看看SVM是干嘛的，那么，了解到这里便足够了，不需上层。而对于那些喜欢深入研究一个东西的同学，甚至究其本质的，咱们则还有很长的一段路要走，万里长征，咱们开始迈第一步吧，相信你能走完。

1.1、线性分类

    OK，在讲SVM之前，咱们必须先弄清楚一个概念：线性分类器(也可以叫做感知机，这里的机表示的是一种算法，本文第三部分、证明SVM中会详细阐述)。

1.1.1、分类标准

    这里我们考虑的是一个两类的分类问题，数据点用 x 来表示，这是一个 n 维向量，w^T中的T代表转置，而类别用 y 来表示，可以取 1 或者 -1 ，分别代表两个不同的类。一个线性分类器的学习目标就是要在 n 维的数据空间中找到一个分类超平面，其方程可以表示为：

                                                           

    上面给出了线性分类的定义描述，但或许读者没有想过：为何用y取1 或者 -1来表示两个不同的类别呢？其实，这个1或-1的分类标准起源于logistic回归，为了完整和过渡的自然性，咱们就再来看看这个logistic回归。

1.1.2、1或-1分类标准的起源：logistic回归

    Logistic回归目的是从特征学习出一个0/1分类模型，而这个模型是将特性的线性组合作为自变量，由于自变量的取值范围是负无穷到正无穷。因此，使用logistic函数（或称作sigmoid函数）将自变量映射到(0,1)上，映射后的值被认为是属于y=1的概率。

    形式化表示就是

    假设函数

   其中x是n维特征向量，函数g就是logistic函数。

   而的图像是

   可以看到，将无穷映射到了(0,1)。

    而假设函数就是特征属于y=1的概率。

    当我们要判别一个新来的特征属于哪个类时，只需求，若大于0.5就是y=1的类，反之属于y=0类。

    再审视一下，发现只和有关，>0，那么，g(z)只不过是用来映射，真实的类别决定权还在。还有当时，=1，反之=0。如果我们只从出发，希望模型达到的目标无非就是让训练数据中y=1的特征，而是y=0的特征。Logistic回归就是要学习得到，使得正例的特征远大于0，负例的特征远小于0，强调在全部训练实例上达到这个目标。

1.1.3、形式化标示

     我们这次使用的结果标签是y=-1,y=1，替换在logistic回归中使用的y=0和y=1。同时将替换成w和b。以前的，其中认为。现在我们替换为b，后面替换为（即）。这样，我们让，进一步。也就是说除了y由y=0变为y=-1，只是标记不同外，与logistic回归的形式化表示没区别。

    再明确下假设函数

    上面提到过我们只需考虑的正负问题，而不用关心g(z)，因此我们这里将g(z)做一个简化，将其简单映射到y=-1和y=1上。映射关系如下：

    于此，想必已经解释明白了为何线性分类的标准一般用1 或者-1 来标示。

    注：上小节来自jerrylead所作的斯坦福机器学习课程的笔记。

1.2、线性分类的一个例子

    下面举个简单的例子，一个二维平面(一个超平面，在二维空间中的例子就是一条直线)，如下图所示，平面上有两种不同的点，分别用两种不同的颜色表示，一种为红颜色的点，另一种则为蓝颜色的点，红颜色的线表示一个可行的超平面。

    从上图中我们可以看出，这条红颜色的线把红颜色的点和蓝颜色的点分开来了。而这条红颜色的线就是我们上面所说的超平面，也就是说，这个所谓的超平面的的确确便把这两种不同颜色的数据点分隔开来，在超平面一边的数据点所对应的 y 全是 -1 ，而在另一边全是 1 。

    接着，我们可以令分类函数（提醒：下文很大篇幅都在讨论着这个分类函数）：

 

    显然，如果 f(x)=0 ，那么 x 是位于超平面上的点。我们不妨要求对于所有满足 f(x)<0 的点，其对应的 y 等于 -1 ，而 f(x)>0 则对应 y=1 的数据点。

    注：上图中，定义特征到结果的输出函数，与我们之前定义的实质是一样的。为什么？因为无论是，还是，不影响最终优化结果。下文你将看到，当我们转化到优化的时候，为了求解方便，会把yf(x)令为1，即yf(x)是y(w^x + b)，还是y(w^x - b)，对我们要优化的式子max1/||w||已无影响。

    （有一朋友飞狗来自Mare_Desiderii，看了上面的定义之后，问道：请教一下SVM functional margin 为=y(wTx+b)=yf(x)中的Y是只取1和-1 吗？y的唯一作用就是确保functional margin的非负性？真是这样的么？当然不是，详情请见本文评论下第43楼）

    当然，有些时候，或者说大部分时候数据并不是线性可分的，这个时候满足这样条件的超平面就根本不存在(不过关于如何处理这样的问题我们后面会讲)，这里先从最简单的情形开始推导，就假设数据都是线性可分的，亦即这样的超平面是存在的。
    更进一步，我们在进行分类的时候，将数据点 x代入 f(x) 中，如果得到的结果小于 0 ，则赋予其类别 -1 ，如果大于 0 则赋予类别 1 。如果 f(x)=0，则很难办了，分到哪一类都不是。

   请读者注意，下面的篇幅将按下述3点走：

1. 咱们就要确定上述分类函数f(x) = w.x + b（w.x表示w与x的内积）中的两个参数w和b，通俗理解的话w是法向量，b是截距（再次说明：定义特征到结果的输出函数，与我们最开始定义的实质是一样的）；
2. 那如何确定w和b呢？答案是寻找两条边界端或极端划分直线中间的最大间隔（之所以要寻最大间隔是为了能更好的划分不同类的点，下文你将看到：为寻最大间隔，导出1/2||w||^2，继而引入拉格朗日函数和对偶变量a，化为对单一因数对偶变量a的求解，当然，这是后话），从而确定最终的最大间隔分类超平面hyper plane和分类函数；
3. 进而把寻求分类函数f(x) = w.x + b的问题转化为对w，b的最优化问题，最终化为对偶因子的求解。

    总结成一句话即是：从最大间隔出发（目的本就是为了确定法向量w），转化为求对变量w和b的凸二次规划问题。亦或如下图所示（有点需要注意，如读者@酱爆小八爪所说：从最大分类间隔开始，就一直是凸优化问题）：

1.3、函数间隔Functional margin与几何间隔Geometrical margin 

    一般而言，一个点距离超平面的远近可以表示为分类预测的确信或准确程度。

• 在超平面w*x+b=0确定的情况下，|w*x+b|能够相对的表示点x到距离超平面的远近，而w*x+b的符号与类标记y的符号是否一致表示分类是否正确，所以，可以用量y*(w*x+b)的正负性来判定或表示分类的正确性和确信度。

    于此，我们便引出了定义样本到分类间隔距离的函数间隔functional margin的概念。

1.3.1、函数间隔Functional margin

    我们定义函数间隔functional margin 为： 

      接着，我们定义超平面(w，b)关于训练数据集T的函数间隔为超平面(w，b)关于T中所有样本点(xi，yi)的函数间隔最小值，其中，x是特征，y是结果标签，i表示第i个样本，有：

  = mini  (i=1，...n)

    然与此同时，问题就出来了。上述定义的函数间隔虽然可以表示分类预测的正确性和确信度，但在选择分类超平面时，只有函数间隔还远远不够，因为如果成比例的改变w和b，如将他们改变为2w和2b，虽然此时超平面没有改变，但函数间隔的值f(x)却变成了原来的2倍。

    其实，我们可以对法向量w加些约束条件，使其表面上看起来规范化，如此，我们很快又将引出真正定义点到超平面的距离--几何间隔geometrical margin的概念（很快你将看到，几何间隔就是函数间隔除以个||w||，即yf(x) / ||w||）。

1.3.2、点到超平面的距离定义：几何间隔Geometrical margin

    在给出几何间隔的定义之前，咱们首先来看下，如上图所示，对于一个点 x ，令其垂直投影到超平面上的对应的为 x0 ，由于 w 是垂直于超平面的一个向量，为样本x到分类间隔的距离，我们有

               （||w||表示的是范数，关于范数的概念参见这里）

    又由于 x0 是超平面上的点，满足 f(x0)=0 ，代入超平面的方程即可算出： 

γ

（有的书上会写成把||w|| 分开相除的形式，如本文参考文献及推荐阅读条目11，其中，||w||为w的二阶泛数）

   不过这里的是带符号的，我们需要的只是它的绝对值，因此类似地，也乘上对应的类别 y即可，因此实际上我们定义 几何间隔geometrical margin 为(注：别忘了，上面的定义，=y(wTx+b)=yf(x) )：

    （代人相关式子可以得出：yi*(w/||w|| + b/||w||)）

    正如本文评论下读者popol1991留言：函数间隔y*(wx+b)=y*f(x)实际上就是|f(x)|，只是人为定义的一个间隔度量；而几何间隔|f(x)|/||w||才是直观上的点到超平面距离。

    想想二维空间里的点到直线公式：假设一条直线的方程为ax+by+c=0,点P的坐标是(x0,y0)，则点到直线距离为|ax0+by0+c|/sqrt(a^2+b^2)。如下图所示：
                                 
    那么如果用向量表示，设w=(a,b),f(x)=wx+c,那么这个距离正是|f(p)|/||w||。

1.4、最大间隔分类器Maximum Margin Classifier的定义

    于此，我们已经很明显的看出，函数间隔functional margin 和 几何间隔geometrical margin 相差一个的缩放因子。按照我们前面的分析，对一个数据点进行分类，当它的 margin 越大的时候，分类的 confidence 越大。对于一个包含 n 个点的数据集，我们可以很自然地定义它的 margin 为所有这 n 个点的 margin 值中最小的那个。于是，为了使得分类的 confidence 高，我们希望所选择的超平面hyper plane 能够最大化这个 margin 值。

    通过上节，我们已经知道：

1、functional margin 明显是不太适合用来最大化的一个量，因为在 hyper plane 固定以后，我们可以等比例地缩放 w 的长度和 b 的值，这样可以使得的值任意大，亦即 functional margin可以在 hyper plane 保持不变的情况下被取得任意大，

2、而 geometrical margin 则没有这个问题，因为除上了这个分母，所以缩放 w 和 b 的时候的值是不会改变的，它只随着 hyper plane 的变动而变动，因此，这是更加合适的一个 margin 。

    这样一来，我们的 maximum margin classifier 的目标函数可以定义为：

    当然，还需要满足一些条件，根据 margin 的定义，我们有

    其中 (等价于=  /||w||，故有稍后的  =1 时，  = 1 / ||w||)，处于方便推导和优化的目的，我们可以令=1(对目标函数的优化没有影响，至于为什么，请见本文评论下第42楼回复) ，此时，上述的目标函数转化为(其中，s.t.，即subject to的意思，它导出的是约束条件)：

    通过求解这个问题，我们就可以找到一个 margin 最大的 classifier ，如下图所示，中间的红色线条是 Optimal Hyper Plane ，另外两条线到红线的距离都是等于的(便是上文所定义的geometrical margin，当令=1时，便为1/||w||，而我们上面得到的目标函数便是在相应的约束条件下，要最大化这个1/||w||值)：

    通过最大化 margin ，我们使得该分类器对数据进行分类时具有了最大的 confidence，从而设计决策最优分类超平面。

1.5、到底什么是Support Vector

    上节，我们介绍了Maximum Margin Classifier，但并没有具体阐述到底什么是Support Vector，本节，咱们来重点阐述这个概念。咱们不妨先来回忆一下上节1.4节最后一张图：

    可以看到两个支撑着中间的 gap 的超平面，它们到中间的纯红线separating hyper plane 的距离相等，即我们所能得到的最大的 geometrical margin，而“支撑”这两个超平面的必定会有一些点，而这些“支撑”的点便叫做支持向量Support Vector。

   或亦可看下来自此PPT中的一张图，Support Vector便是那蓝色虚线和粉红色虚线上的点：

    很显然，由于这些 supporting vector 刚好在边界上，所以它们满足（还记得我们把 functional margin 定为 1 了吗？上节中：“处于方便推导和优化的目的，我们可以令=1”），而对于所有不是支持向量的点，也就是在“阵地后方”的点，则显然有。当然，除了从几何直观上之外，支持向量的概念也可以从下文优化过程的推导中得到。

    OK，到此为止，算是了解到了SVM的第一层，对于那些只关心怎么用SVM的朋友便已足够，不必再更进一层深究其更深的原理。