[人工智能]机器学习之支持向量机（SVM）

支持向量机（SVM）

假设函数：

形式

与神经网络的两点区别：

1.代价函数

可以从这个对比上看出原来的神经网络是对数形式的sigmoid函数我们将其替换为cost1和cost0，分别意味着预测结果距离1的代价和距离0的代价。

新代价函数图形，当距离足够远时直接令Z=0；

2.C的引入

正则化项前不再拥有参数$\lambda$,反而是预测项拥有了系数C，我们这里可以把C理解为$1/\lambda$。

大间距分类器

如图的一组正负样本，SVM所做的正式那条黑色的直线，尽力以最大的间距将两组数据分割开来（可以理解为到蓝色的直线的距离）

数学理解

为何能进行大间距分类？

我们将${\theta }^T?X$看成向量内积的形式，那么其也可以写成$P\times ||\theta ||$的形式，其中P为X在θ方向上的投影，因为我们想要我们的代价函数取最小值，所以我们会令$P\times ||\theta ||$的绝对值尽量大，在θ不变的情况下，即令P的值尽量大

在这个示例里我们会让θ尽量贴近于坐标轴，而分割线则会垂直于坐标轴。

核函数（kernel）

引入

为了解决复杂的非线性分类问题

如图所示，如果想要解决这种问题，用神经网络的方法是将原来的特征进行排列组合，引入大量的多项式比如$x_1^2,x_2{x}_3$作为新的特征，但是这样会拖慢计算机的运行速度。

在SVM中我们引入了新的构造特征值的方法，即利用核函数。

也可理解为相似函数

给定一个训练样本x，我们利用x的各个特征与我们预先选定的地标(landmarks)$l_1,l_2,l_3$的近似程度来选取新的特征。

高斯核函数：

当x与$l_1$靠近时，$f_1$的值趋近于1

当x与$l_1$远离时，$f_1$的值趋近于0

实例

对于如图的模型，假设我们训练出的参数如上，那最终我们会形成这样的分类效果。

特征点的选取

若训练集有m个样本，则选取m个特征点

对每一个样本都对其他所有点取高斯核函数，那么每一个点都可以形成一个这样的m维特征向量

方程进化

我们的代价函数也会相应地变成这样：

这时我们的判断就是当${\theta }^T{f}^{(i)}>0$时，predict y=1

当${\theta }^T{f}^{(i)}<0$时，predict y=0

有时我们也会用${\theta }^T?M?\theta$来代替${\theta }^2$，其中M的值取决于核函数

这样做的目的是简化计算，提高运行时的速度

参数选择

因为$C=1/\lambda$

所以C过大，意味着λ偏小，可能导致高方差，过拟合

所以C过大，意味着λ偏大，可能导致高偏差，欠拟合

σ的大小和核函数的平滑程度有关

而σ过大，意味着高偏差，欠拟合

而σ过小，意味着高方差，过拟合

线性核函数

即不适用核函数的情况‘

因为它的作用是仅仅提供一个线性分类器，因此得名

适用于有大量特征值和很少数据集的情况

应用

多类分类问题

可以应用one vs all的方法，也可以直接调用SVM软件库里的多分类器（一般会有）

需要做的事

1. 确定参数C
2. 选择恰当的核函数（一般是高斯或线性）

算法选择

n为特征数，m为训练样本数。

SVM的速度主要取决于m的大小，逻辑回归速度取决于n的大小

1. n>>m,即训练集数据量不够支持我们训练一个复杂的非线性模型

   我们选用逻辑回归模型或者不带核函数的支持向量机。

2. 如果n较小，而且m大小中等

   例如n在 1-1000 之间，而m在10-10000之间

   使用高斯核函数的支持向量机。

3. 如果n较小，而m较大，例如n在1-1000之间，而m大于50000

   则使用支持向量机会非常慢，解决方案是创造、增加更多的特征

   然后使用逻辑回归或不带核函数的支持向量机。

另这些情况使用训练得当的神经网络都会得到恰当的结果

但是比如上面第二种种情况SVM的速度会远快于神经网络