如何用Python实现支持向量机
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发布时间：2022-04-30 00:05
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时间：2022-04-18 07:00
blog.csdn.net/zouxy09/article/details/17292011
机器学习算法与Python实践之（四）支持向量机（SVM）实现
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时间：2022-04-18 08:18
前面讲到，SVM的学习问题可以转化为下面的对偶问题：
需要满足的KKT条件：
也就是说找到一组αi可以满足上面的这些条件的就是该目标的一个最优解。所以我们的优化目标是找到一组最优的αi*。一旦求出这些αi*，就很容易计算出权重向量w*和b，并得到分隔超平面了。
这是个凸二次规划问题，它具有全局最优解，一般可以通过现有的工具来优化。但当训练样本非常多的时候，这些优化算法往往非常耗时低效，以致无法使用。从SVM提出到现在，也出现了很多优化训练的方法。其中，非常出名的一个是1982年由Microsoft Research的John C. Platt在论文《Sequential Minimal Optimization: A Fast Algorithm for TrainingSupport Vector Machines》中提出的Sequential Minimal Optimization序列最小化优化算法，简称SMO算法。SMO算法的思想很简单，它将大优化的问题分解成多个小优化的问题。这些小问题往往比较容易求解，并且对他们进行顺序求解的结果与将他们作为整体来求解的结果完全一致。在结果完全一致的同时，SMO的求解时间短很多。在深入SMO算法之前，我们先来了解下坐标下降这个算法，SMO其实基于这种简单的思想的。
8.1、坐标下降（上升）法
假设要求解下面的优化问题：
在这里，我们需要求解m个变量αi，一般来说是通过梯度下降（这里是求最大值，所以应该叫上升）等算法每一次迭代对所有m个变量αi也就是α向量进行一次性优化。通过误差每次迭代调整α向量中每个元素的值。而坐标上升法（坐标上升与坐标下降可以看做是一对，坐标上升是用来求解max最优化问题，坐标下降用于求min最优化问题）的思想是每次迭代只调整一个变量αi的值，其他变量的值在这次迭代中固定不变。
最里面语句的意思是固定除αi之外的所有αj(i不等于j)，这时W可看作只是关于αi的函数，那么直接对αi求导优化即可。这里我们进行最大化求导的顺序i是从1到m，可以通过更改优化顺序来使W能够更快地增加并收敛。如果W在内循环中能够很快地达到最优，那么坐标上升法会是一个很高效的求极值方法。
用个二维的例子来说明下坐标下降法：我们需要寻找f(x,y)=x2+xy+y2的最小值处的(x*, y*)，也就是下图的F*点的地方。
假设我们初始的点是A（图是函数投影到xoy平面的等高线图，颜色越深值越小），我们需要达到F*的地方。那最快的方法就是图中*线的路径，一次性就到达了，其实这个是牛顿优化法，但如果是高维的话，这个方法就不太高效了（因为需要求解矩阵的逆，这个不在这里讨论）。我们也可以按照红色所指示的路径来走。从A开始，先固定x，沿着y轴往让f(x, y)值减小的方向走到B点，然后固定y，沿着x轴往让f(x, y)值减小的方向走到C点，不断循环，直到到达F*。反正每次只要我们都往让f(x, y)值小的地方走就行了，这样脚踏实地，一步步走，每一步都使f(x, y)慢慢变小，总有一天，皇天不负有心人的。到达F*也是时间问题。到这里你可能会说，这红色线比*线*差距也太严重了吧。因为这里是二维的简单的情况嘛。如果是高维的情况，而且目标函数很复杂的话，再加上样本集很多，那么在梯度下降中，目标函数对所有αi求梯度或者在牛顿法中对矩阵求逆，都是很耗时的。这时候，如果W只对单个αi优化很快的时候，坐标下降法可能会更加高效。
8.2、SMO算法
SMO算法的思想和坐标下降法的思想差不多。唯一不同的是，SMO是一次迭代优化两个α而不是一个。为什么要优化两个呢？
我们回到这个优化问题。我们可以看到这个优化问题存在着一个约束，也就是
假设我们首先固定除α1以外的所有参数，然后在α1上求极值。但需要注意的是，因为如果固定α1以外的所有参数，由上面这个约束条件可以知道，α1将不再是变量（可以由其他值推出），因为问题中规定了：
因此，我们需要一次选取两个参数做优化，比如αi和αj，此时αi可以由αj和其他参数表示出来。这样回代入W中，W就只是关于αj的函数了，这时候就可以只对αj进行优化了。在这里就是对αj进行求导，令导数为0就可以解出这个时候最优的αj了。然后也可以得到αi。这就是一次的迭代过程，一次迭代只调整两个拉格朗日乘子αi和αj。SMO之所以高效就是因为在固定其他参数后，对一个参数优化过程很高效（对一个参数的优化可以通过解析求解，而不是迭代。虽然对一个参数的一次最小优化不可能保证其结果就是所优化的拉格朗日乘子的最终结果，但会使目标函数向极小值迈进一步，这样对所有的乘子做最小优化，直到所有满足KKT条件时，目标函数达到最小）。
总结下来是：
重复下面过程直到收敛{
（1）选择两个拉格朗日乘子αi和αj；
（2）固定其他拉格朗日乘子αk(k不等于i和j)，只对αi和αj优化w(α);
（3）根据优化后的αi和αj，更新截距b的值；
}
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时间：2022-04-18 09:53
