SVM-核函数

来源:互联网 发布:淘宝联盟如何推广 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 18:28

核函数

       如果我们的正常的样本分布如下图左边所示,之所以说是正常的指的是,不是上面说的那样由于某些顽固的离群点导致的线性不可分。它是真的线性不可分。样本本身的分布就是这样的,如果也像样本那样,通过松弛变量硬拉一条线性分类边界出来,很明显这条分类面会非常糟糕。那怎么办呢?SVM对线性可分数据有效,对不可分的有何应对良策呢?是核方法(kernel trick)大展身手的时候了。 

       如上图右,如果我们可以把我们的原始样本点通过一个变换,变换到另一个特征空间,在这个特征空间上是线性可分的,那么上面的SVM就可以轻易工作了。也就是说,对于不可分的数据,现在我们要做两个工作:

1)首先使用一个非线性映射Φ(x)将全部原始数据x变换到另一个特征空间,在这个空间中,样本变得线性可分了;

2)然后在特征空间中使用SVM进行学习分类。

       好了,第二个工作没什么好说的,和前面的一样。那第一个粗重活由谁来做呢?我们怎么知道哪个变换才可以将我们的数据映射为线性可分呢?数据维度那么大,我们又看不到。另外,这个变换会不会使第二步的优化变得复杂,计算量更大呢?对于第一个问题,有个著名的cover定理:将复杂的模式分类问题非线性地投射到高维空间将比投射到低维空间更可能是线性可分的。OK,那容易了,我们就要找到一个所有样本映射到更高维的空间的映射。对不起,其实要找到这个映射函数很难。但是,支持向量机并没有直接寻找和计算这种复杂的非线性变换,而是很智慧的通过了一种巧妙的迂回方法来间接实现这种变换。它就是核函数,不仅具备这种超能力,同时又不会增加太多计算量的两全其美的方法。我们可以回头看看上面SVM的优化问题:

      可以看到,对样本x的利用,只是计算第i和第j两个样本的内积就可以了。

       对于分类决策函数,也是计算两个样本的内积。也就是说,训练SVM和使用SVM都用到了样本间的内积,而且只用到内积。那如果我们可以找到一种方法来计算两个样本映射到高维空间后的内积的值就可以了。核函数就是完成这伟大的使命的:

K(xi, xj)=Φ(xi)T Φ(xj)

       也就是两个样本xixj对应的高维空间的内积Φ(xi)T Φ(xj)通过一个核函数K(xi, xj)计算得到。而不用知道这个变换Φ(x)是何许人也。而且这个核函数计算很简单,常用的一般是径向基RBF函数

     这时候,我们的优化的对偶问题就变成了:

      和之前的优化问题唯一的不同只是样本的内积需要用核函数替代而已。优化过程没有任何差别。而决策函数变成了:

        也就是新来的样本x和我们的所有训练样本计算核函数即可。需要注意的是,因为大部分样本的拉格朗日因子αi都是0,所以其实我们只需要计算少量的训练样本和新来的样本的核函数,然后求和取符号即可完成对新来样本x的分类了。支持向量机的决策过程也可以看做一种相似性比较的过程。首先,输入样本与一系列模板样本进行相似性比较,模板样本就是训练过程决定的支持向量,而采用的相似性度量就是核函数。样本与各支持向量比较后的得分进行加权后求和,权值就是训练时得到的各支持向量的系数αi和类别标号的成绩。最后根据加权求和值大小来进行决策。而采用不同的核函数,就相当于采用不同的相似度的衡量方法。

       从计算的角度,不管Φ(x)变换的空间维度有多高,甚至是无限维(函数就是无限维的),这个空间的线性支持向量机的求解都可以在原空间通过核函数进行,这样就可以避免了高维空间里的计算,而计算核函数的复杂度和计算原始样本内积的复杂度没有实质性的增加。

       总结一下:支持向量机的基本思想可以概括为,首先通过非线性变换将输入空间变换到一个高维的空间,然后在这个新的空间求最优分类面即最大间隔分类面,而这种非线性变换是通过定义适当的内积核函数来实现的。SVM实际上是根据统计学习理论依照结构风险最小化的原则提出的,要求实现两个目的:1)两类问题能够分开(经验风险最小)2)margin最大化(风险上界最小)既是在保证风险最小的子集中选择经验风险最小的函数。

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