机器学习——svm支持向量机的原理

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前言

    动笔写这个支持向量机(support vector machine)是费了不少劲和困难的，原因很简单，一者这个东西本身就并不好懂，要深入学习和研究下去需花费不少时间和精力，二者这个东西也不好讲清楚，尽管网上已经有朋友写得不错了(见文末参考链接)，但在描述数学公式的时候还是显得不够。得益于同学白石的数学证明，我还是想尝试写一下，希望本文在兼顾通俗易懂的基础上，真真正正能足以成为一篇完整概括和介绍支持向量机的导论性的文章。

    本文在写的过程中，参考了不少资料，包括《支持向量机导论》、《统计学习方法》及网友pluskid的支持向量机系列等等，于此，还是一篇学习笔记，只是加入了自己的理解和总结，有任何不妥之处，还望海涵。全文宏观上整体认识支持向量机的概念和用处，微观上深究部分定理的来龙去脉，证明及原理细节，力求深入浅出 & 通俗易懂。

    同时，阅读本文时建议大家尽量使用chrome等浏览器，如此公式才能更好的显示，再者，阅读时可拿张纸和笔出来，把本文所有定理.公式都亲自推导一遍或者直接打印下来（可直接打印网页版或本文文末贴的这个PDF：http://vdisk.weibo.com/s/zrFL6OXKghu5V，享受随时随地思考、演算的极致快感），在文稿上演算。

    Ok，还是那句原话，有任何问题，欢迎任何人随时不吝指正 & 赐教，感谢。

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。

    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。一个线性分类器就是要在 n 维的数据空间中找到一个超平面，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

   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)。

    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。

    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：

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。

    （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4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 x ，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 x 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。

    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。

第二层、深入SVM

2.1、从线性可分到线性不可分

2.1.1、从原始问题到对偶问题的求解

    虽然上文1.4节给出了目标函数，却没有讲怎么来求解。现在就让我们来处理这个问题。回忆一下之前得到的目标函数（subject to导出的则是约束条件）：

     由于求的最大值相当于求的最小值，所以上述问题等价于（w由分母变成分子，从而也有原来的max问题变为min问题，很明显，两者问题等价）：

1. 到这个形式以后，就可以很明显地看出来，它是一个凸优化问题，或者更具体地说，它是一个二次优化问题——目标函数是二次的，约束条件是线性的。这个问题可以用任何现成的 QP (Quadratic Programming) 的优化包进行求解；
2. 但虽然这个问题确实是一个标准的 QP 问题，但是它也有它的特殊结构，通过 Lagrange Duality 变换到对偶变量 (dual variable) 的优化问题之后，可以找到一种更加有效的方法来进行求解，而且通常情况下这种方法比直接使用通用的 QP 优化包进行优化要高效得多。

    也就说，除了用解决QP问题的常规方法之外，还可以应用拉格朗日对偶性，通过求解对偶问题得到最优解，这就是线性可分条件下支持向量机的对偶算法，这样做的优点在于：一者对偶问题往往更容易求解；二者可以自然的引入核函数，进而推广到非线性分类问题。
    ok，接下来，你将看到“对偶变量dual variable的优化问题”等类似的关键词频繁出现，便是解决此凸优化问题的第二种更为高效的解--对偶变量的优化求解。

    至于上述提到，关于什么是Lagrange duality？简单地来说，通过给每一个约束条件加上一个 Lagrange multiplier(拉格朗日乘值)，即引入拉格朗日对偶变量，如此我们便可以通过拉格朗日函数将约束条件融和到目标函数里去(也就是说把条件融合到一个函数里头，现在只用一个函数表达式便能清楚的表达出我们的问题)：

   然后我们令

    容易验证，当某个约束条件不满足时，例如，那么我们显然有（只要令即可）。而当所有约束条件都满足时，则有，亦即我们最初要最小化的量。因此，在要求约束条件得到满足的情况下最小化，实际上等价于直接最小化（当然，这里也有约束条件，就是≥0,i=1,…,n）   ，因为如果约束条件没有得到满足，会等于无穷大，自然不会是我们所要求的最小值。具体写出来，我们现在的目标函数变成了：

    这里用表示这个问题的最优值，这个问题和我们最初的问题是等价的。不过，现在我们来把最小和最大的位置交换一下（稍后，你将看到，当下面式子满足了一定的条件之后，这个式子d 便是上式P 的对偶形式表示）：

    当然，交换以后的问题不再等价于原问题，这个新问题的最优值用来表示。并且，我们有≤ ，这在直观上也不难理解，最大值中最小的一个总也比最小值中最大的一个要大吧！  总之，第二个问题的最优值在这里提供了一个第一个问题的最优值的一个下界，在满足某些条件的情况下，这两者相等，这个时候我们就可以通过求解第二个问题来间接地求解第一个问题。

    上段说“在满足某些条件的情况下”，这所谓的“满足某些条件”就是要满足KKT条件。那KKT条件的表现形式是什么呢？据维基百科：KKT 条件的介绍，一般地，一个最优化数学模型能够表示成下列标准形式：

    所谓 Karush-Kuhn-Tucker 最优化条件，就是指上式的最小点 x* 必须满足下面的条件：

    经过论证，我们这里的问题是满足 KKT 条件的（首先已经满足Slater condition，再者f和gi也都是可微的，即L对w和b都可导），因此现在我们便转化为求解第二个问题。也就是说，现在，咱们的原问题通过满足一定的条件，已经转化成了对偶问题。而求解这个对偶学习问题，分为3个步骤，首先要让L(w，b，a) 关于 w 和 b 最小化，然后求对α的极大，最后利用SMO算法求解对偶因子。

    （1）、首先固定，要让 L 关于 w 和 b 最小化，我们分别对w，b求偏导数，即令 ?L/?w 和 ?L/?b 等于零（对w求导结果的解释请看本文评论下第45楼回复）：

    以上结果代回上述的 L： ，得到：

    提醒：有读者可能会问上述推导过程如何而来？说实话，其具体推导过程是比较复杂的，如下图所示：

      最后，得到：

    如 jerrylead所说：“倒数第4步”推导到“倒数第3步”使用了线性代数的转置运算，由于ai和yi都是实数，因此转置后与自身一样。“倒数第3步” 推导到“倒数第2步”使用了(a+b+c+…)(a+b+c+…)=aa+ab+ac+ba+bb+bc+…的乘法运算法则。最后一步是上一步的顺序调 整。

    从上面的最后一个式子，我们可以看出，此时的拉格朗日函数只包含了一个变量，那就是，然后下文的第2步，求出了便能求出w，和b，由此可见，上文第1.2节提出来的核心问题：分类函数也就可以轻而易举的求出来了。

    由此看出，使用拉格朗日定理解凸最优化问题可以使用一个对偶变量表示，转换为对偶问题后，通常比原问题更容易处理，因为直接处理不等式约束是困难的，而对偶问题通过引入拉格朗日乘子(又称为对偶变量)来解。

    （2）、求对的极大，即是关于对偶变量dual variable的优化问题，从上面的式子得到：

    (不得不提醒下读者：经过上面第一个步骤的求w和b，得到的拉格朗日函数式子已经没有了变量w，b，只有，而反过来，求得的将能导出w，b的解，最终得出分离超平面和分类决策函数。为何呢？因为如果求出了，根据，即可求出w。然后通过，即可求出b )

   如前面所说，这个问题有更加高效的优化算法，即我们常说的SMO算法。

       要解决的是在参数上求最大值W的问题，至于和都是已知数（其中  是一个参数，用于控制目标函数中两项（“寻找 margin 最大的超平面”和“保证数据点偏差量最小”）之间的权重。和上文最后的式子对比一下，可以看到唯一的区别就是现在 dual variable  多了一个上限  ，关于的具体由来请查看下文第2.3节）。

2.1.3、线性不可分的情况

    OK，为过渡到下节2.2节所介绍的核函数，让我们再来看看上述推导过程中得到的一些有趣的形式。首先就是关于我们的 hyper plane ，对于一个数据点 x 进行分类，实际上是通过把 x 带入到算出结果然后根据其正负号来进行类别划分的。而前面的推导中我们得到 

    因此分类函数为：

    这里的形式的有趣之处在于，对于新点 x的预测，只需要计算它与训练数据点的内积即可（表示向量内积），这一点至关重要，是之后使用 Kernel 进行非线性推广的基本前提。此外，所谓 Supporting Vector 也在这里显示出来——事实上，所有非Supporting Vector 所对应的系数都是等于零的，因此对于新点的内积计算实际上只要针对少量的“支持向量”而不是所有的训练数据即可。

    为什么非支持向量对应的等于零呢？直观上来理解的话，就是这些“后方”的点——正如我们之前分析过的一样，对超平面是没有影响的，由于分类完全有超平面决定，所以这些无关的点并不会参与分类问题的计算，因而也就不会产生任何影响了。

    回忆一下我们2.1.1节中通过 Lagrange multiplier得到的目标函数：

     注意到如果 x 是支持向量的话，上式中红颜色的部分是等于 0 的（因为支持向量的 functional margin 等于 1 ），而对于非支持向量来说，functional margin 会大于 1 ，因此红颜色部分是大于零的，而又是非负的，为了满足最大化，必须等于 0 。这也就是这些非Supporting Vector 的点的局限性。 

    从1.5节到上述所有这些东西，便得到了一个maximum margin hyper plane classifier，这就是所谓的支持向量机（Support Vector Machine）。当然，到目前为止，我们的 SVM 还比较弱，只能处理线性的情况，不过，在得到了对偶dual 形式之后，通过 Kernel 推广到非线性的情况就变成了一件非常容易的事情了(相信，你还记得本节开头所说的：“通过求解对偶问题得到最优解，这就是线性可分条件下支持向量机的对偶算法，这样做的优点在于：一者对偶问题往往更容易求解；二者可以自然的引入核函数，进而推广到非线性分类问题”)。

2.2、核函数Kernel

2.2.1、特征空间的隐式映射：核函数

    咱们首先给出核函数的来头：

• 在上文中，我们已经了解到了SVM处理线性可分的情况，而对于非线性的情况，SVM 的处理方法是选择一个核函数 κ(?,?) ，通过将数据映射到高维空间，来解决在原始空间中线性不可分的问题。由于核函数的优良品质，这样的非线性扩展在计算量上并没有比原来复杂多少，这一点是非常难得的。当然，这要归功于核方法——除了 SVM 之外，任何将计算表示为数据点的内积的方法，都可以使用核方法进行非线性扩展。

    如果有一种方式可以在特征空间中直接计算内积〈φ(x_i · φ(x)〉，就像在原始输入点的函数中一样，就有可能将两个步骤融合到一起建立一个非线性的学习器，这样直接计算法的方法称为核函数方法，于是，核函数便横空出世了。

    这里我直接给出一个定义：核是一个函数K，对所有x，z(-X，满足，这里φ是从X到内积特征空间F的映射。

    现在让我们再回到 SVM 的情形，假设原始的数据时非线性的，我们通过一个映射 ?(?) 将其映射到一个高维空间中，数据变得线性可分了，这个时候，我们就可以使用原来的推导来进行计算，只是所有的推导现在是在新的空间，而不是原始空间中进行。当然，推导过程也并不是可以简单地直接类比的，例如，原本我们要求超平面的法向量 w ，但是如果映射之后得到的新空间的维度是无穷维的（确实会出现这样的情况，比如后面会提到的 高斯核Gaussian Kernel ），要表示一个无穷维的向量描述起来就比较麻烦。于是我们不妨先忽略过这些细节，直接从最终的结论来分析，回忆一下，我们上一次2.1节中得到的最终的分类函数是这样的：

    现在则是在映射过后的空间，即：

    而其中的 α 也是通过求解如下 dual 问题而得到的：

    这样一来问题就解决了吗？似乎是的：拿到非线性数据，就找一个映射  ，然后一股脑把原来的数据映射到新空间中，再做线性 SVM 即可。不过事实上没有这么简单！其实刚才的方法稍想一下就会发现有问题：在最初的例子里，我们对一个二维空间做映射，选择的新空间是原始空间的所有一阶和 二阶的组合，得到了五个维度；如果原始空间是三维，那么我们会得到 19 维的新空间，这个数目是呈爆炸性增长的，这给  的计算带来了非常大的困难，而且如果遇到无穷维的情况，就根本无从计算了。所以就需要 Kernel 出马了。

    不妨还是从最开始的简单例子出发，设两个向量和，而即是到前面2.2.1节说的五维空间的映射，因此映射过后的内积为：

        （公式说明：上面的这两个推导过程中，所说的前面的五维空间的映射，这里说的前面便是文中2.2.1节的所述的映射方式，仔细看下2.2.1节的映射规则，再看那第一个推导，其实就是计算x1，x2各自的内积，然后相乘相加即可，第二个推导则是直接平方，去掉括号，也很容易推出来）

    另外，我们又注意到：

     二者有很多相似的地方，实际上，我们只要把某几个维度线性缩放一下，然后再加上一个常数维度，具体来说，上面这个式子的计算结果实际上和映射

     之后的内积的结果是相等的，那么区别在于什么地方呢？

1. 一个是映射到高维空间中，然后再根据内积的公式进行计算；
2. 而另一个则直接在原来的低维空间中进行计算，而不需要显式地写出映射后的结果。

    （公式说明：上面之中，最后的两个式子，第一个算式，是带内积的完全平方式，可以拆开，然后，通过凑一个得到，第二个算式，也是根据第一个算式凑出来的）

    回忆刚才提到的映射的维度爆炸，在前一种方法已经无法计算的情况下，后一种方法却依旧能从容处理，甚至是无穷维度的情况也没有问题。

    我们把这里的计算两个向量在隐式映射过后的空间中的内积的函数叫做核函数 (Kernel Function) ，例如，在刚才的例子中，我们的核函数为：

    核函数能简化映射空间中的内积运算——刚好“碰巧”的是，在我们的 SVM 里需要计算的地方数据向量总是以内积的形式出现的。对比刚才我们上面写出来的式子，现在我们的分类函数为：

    其中  由如下 dual 问题计算而得：

    这样一来计算的问题就算解决了，避开了直接在高维空间中进行计算，而结果却是等价的！当然，因为我们这里的例子非常简单，所以我可以手工构造出对应于的核函数出来，如果对于任意一个映射，想要构造出对应的核函数就很困难了。

    通常人们会从一些常用的核函数中选择（根据问题和数据的不同，选择不同的参数，实际上就是得到了不同的核函数），例如：

• 多项式核，显然刚才我们举的例子是这里多项式核的一个特例（R = 1，d = 2）。虽然比较麻烦，而且没有必要，不过这个核所对应的映射实际上是可以写出来的，该空间的维度是，其中  是原始空间的维度。
• 高斯核，这个核就是最开始提到过的会将原始空间映射为无穷维空间的那个家伙。不过，如果选得很大的话，高次特征上的权重实际上衰减得非常快，所以实际上（数值上近似一下）相当于一个低维的子空间；反过来，如果选得很小，则可以将任意的数据映射为线性可分——当然，这并不一定是好事，因为随之而来的可能是非常严重的过拟合问题。不过，总的来说，通过调控参数，高斯核实际上具有相当高的灵活性，也是使用最广泛的核函数之一。下图所示的例子便是把低维线性不可分的数据通过高斯核函数映射到了高维空间：
• 线性核，这实际上就是原始空间中的内积。这个核存在的主要目的是使得“映射后空间中的问题”和“映射前空间中的问题”两者在形式上统一起来了(意思是说，咱们有的时候，写代码，或写公式的时候，只要写个模板或通用表达式，然后再代入不同的核，便可以了，于此，便在形式上统一了起来，不用再分别写一个线性的，和一个非线性的)。

2.2.4、核函数的本质

2.3、使用松弛变量处理 outliers 方法

    在本文第一节最开始讨论支持向量机的时候，我们就假定，数据是线性可分的，亦即我们可以找到一个可行的超平面将数据完全分开。后来为了处理非线性数据，在 上文2.2节使用 Kernel 方法对原来的线性 SVM 进行了推广，使得非线性的的情况也能处理。虽然通过映射  将原始数据映射到高维空间之后，能够线性分隔的概率大大增加，但是对于某些情况还是很难处理。

    例如可能并不是因为数据本身是非线性结构的，而只是因为数据有噪音。对于这种偏离正常位置很远的数据点，我们称之为 outlier ，在我们原来的 SVM 模型里，outlier 的存在有可能造成很大的影响，因为超平面本身就是只有少数几个 support vector 组成的，如果这些 support vector 里又存在 outlier 的话，其影响就很大了。例如下图：

    用黑圈圈起来的那个蓝点是一个 outlier ，它偏离了自己原本所应该在的那个半空间，如果直接忽略掉它的话，原来的分隔超平面还是挺好的，但是由于这个 outlier 的出现，导致分隔超平面不得不被挤歪了，变成途中黑色虚线所示（这只是一个示意图，并没有严格计算精确坐标），同时 margin 也相应变小了。当然，更严重的情况是，如果这个 outlier 再往右上移动一些距离的话，我们将无法构造出能将数据分开的超平面来。

    为了处理这种情况，SVM 允许数据点在一定程度上偏离一下超平面。例如上图中，黑色实线所对应的距离，就是该 outlier 偏离的距离，如果把它移动回来，就刚好落在原来的超平面上，而不会使得超平面发生变形了。

    插播下一位读者@Copper_PKU的理解：“换言之，在有松弛的情况下outline点也属于支持向量SV，同时，对于不同的支持向量，拉格朗日参数的值也不同，如此篇论文《Large Scale Machine Learning》中的下图所示：

    对于远离分类平面的点值为0；对于边缘上的点值在[0, 1/L]之间，其中，L为训练数据集个数，即数据集大小；对于outline数据和内部的数据值为1/L。更多请参看本文文末参考条目第51条。”

    OK，继续回到咱们的问题。我们，原来的约束条件为：

    现在考虑到outlier问题，约束条件变成了：

    其中称为松弛变量 (slack variable) ，对应数据点允许偏离的 functional margin 的量。当然，如果我们运行任意大的话，那任意的超平面都是符合条件的了。所以，我们在原来的目标函数后面加上一项，使得这些的总和也要最小：

    其中  是一个参数，用于控制目标函数中两项（“寻找 margin 最大的超平面”和“保证数据点偏差量最小”）之间的权重。注意，其中  是需要优化的变量（之一），而  是一个事先确定好的常量。完整地写出来是这个样子：

     分析方法和前面一样，转换为另一个问题之后，我们先让针对、和最小化：

     将  带回  并化简，得到和原来一样的目标函数：

     不过，由于我们得到而又有（作为 Lagrange multiplier 的条件），因此有，所以整个 dual 问题现在写作：

    把前后的结果对比一下：

    可以看到唯一的区别就是现在 dual variable  多了一个上限  。而 Kernel 化的非线性形式也是一样的，只要把换成即可。这样一来，一个完整的，可以处理线性和非线性并能容忍噪音和 outliers 的支持向量机才终于介绍完毕了。

    行文至此，可以做个小结，不准确的说，SVM 它本质上即是一个分类方法，用w^T+b定义分类函数，于是求w、b，为寻最大间隔，引出1/2||w||^2，继而引入拉格朗日因子，化为对单一因数对 偶变量a的求解（求解过程中会涉及到一系列最优化或凸二次规划等问题），如此，求w.b与求a等价，而求a的解法即为SMO，至于核函数，是为处理非线性 情况，若直接映射到高维计算恐维度爆炸，故在低维计算，等效高维表现。

    OK，理解到这第二层，已经能满足绝大部分人一窥SVM原理的好奇心，然对于那些想在证明层面理解SVM的则还很不够，但进入第三层理解境界之前，你必须要有比较好的数理基础和逻辑证明能力，不然你会跟我一样，吃不少苦头的。

第三层、证明SVM

    说实话，凡是涉及到要证明的东西.理论，便一般不是怎么好惹的东西。绝大部分时候，看懂一个东西不难，但证明一个东西则需要点数学功底，进一步，证明一个东西也不是特别难，难的是从零开始发明创造这个东西的时候，则显艰难(因为任何时代，大部分人的研究所得都不过是基于前人的研究成果，前人所做的是开创性工作，而这往往是最艰难最有价值的，他们被称为真正的先驱。牛顿也曾说过，他不过是站在巨人的肩上。你，我则更是如此)。

    正如陈希孺院士在他的著作《数理统计学简史》的第4章、最小二乘法中所讲：在科研上诸多观念的革新和突破是有着很多的不易的，或许某个定理在某个时期由某 个人点破了，现在的我们看来一切都是理所当然，但在一切没有发现之前，可能许许多多的顶级学者毕其功于一役，耗尽一生，努力了几十年最终也是无功而返。

    话休絮烦，要证明一个东西先要弄清楚它的根基在哪，即构成它的基础是哪些理论。OK，以下内容基本是上文中未讲到的一些定理的证明，包括其背后的逻辑、来源背景等东西，还是读书笔记。

本部分导述

• 3.1节线性学习器中，主要阐述感知机算法；
• 3.2节非线性学习器中，主要阐述mercer定理；
• 3.3节、损失函数；
• 3.4节、最小二乘法；
• 3.5节、SMO算法；
• 3.6节、简略谈谈SVM的应用；

3.1、线性学习器

3.1.1、感知机算法

    这里，为扩充间隔。根据误分次数公式可知, 迭代次数与对应于扩充(包括偏置)权重的训练集的间隔有关。

    顺便再解释下这个所谓的扩充间隔，即为样本到分类间隔的距离，即从引出的最大分类间隔。OK，还记得上文第1.3.2节开头的内容么？如下：“

3.2、非线性学习器

3.2.1、Mercer定理

    Mercer定理 ：如果函数K是上的映射（也就是从两个n维向量映射到实数域）。那么如果K是一个有效核函数（也称为Mercer核函数），那么当且仅当对于训练样例，其相应的核函数矩阵是对称半正定的。 

3.3、损失函数

    在本文1.0节有这么一句话“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。”但初次看到的读者可能并不了解什么是结构化风险，什么又是经验风险。要了解这两个所谓的“风险”，还得又从监督学习说起。

    监督学习实际上就是一个经验风险或者结构风险函数的最优化问题。风险函数度量平均意义下模型预测的好坏，模型每一次预测的好坏用损失函数来度量。它从 假设空间F中选择模型f作为决策函数，对于给定的输入X，由f(X)给出相应的输出Y，这个输出的预测值f(X)与真实值Y可能一致也可能不一致，用一个 损失函数来度量预测错误的程度。损失函数记为L(Y, f(X))。

    常用的损失函数有以下几种（基本引用自《统计学习方法》）：

    如此，SVM有第二种理解，即最优化+损失最小，或如@夏粉_百度所说“可从损失函数和优化算法角度看SVM，boosting，LR等算法，可能会有不同收获”。

    OK，关于更多统计学习方法的问题，请参看此文。

    关于损失函数，如下文读者评论中所述：可以看看张潼的这篇《Statistical behavior and consistency of classification methods based on convex risk minimization》。各种算法中常用的损失函数基本都具有fisher一致性，优化这些损失函数得到的分类器可以看作是后验概率的“代理”。

    此外，他还有另外一篇论文《Statistical analysis of some multi-category large margin classification methods》，在多分类情况下margin loss的分析，这两篇对Boosting和SVM使用的损失函数分析的很透彻。

3.4、最小二乘法

3.4.1、什么是最小二乘法？

    既然本节开始之前提到了最小二乘法，那么下面引用《正态分布的前世今生》里的内容稍微简单阐述下。

    我们口头中经常说：一般来说，平均来说。如平均来说，不吸烟的健康优于吸烟者，之所以要加“平均”二字，是因为凡事皆有例外，总存在某个特别的人他吸烟但由于经常锻炼所以他的健康状况可能会优于他身边不吸烟的朋友。而最小二乘法的一个最简单的例子便是算术平均。

    最小二乘法（又称最小_平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。用函数表示为：

  使误差「所谓误差，当然是观察值与实际真实值的差量」平方和达到最小以寻求估计值的方法，就叫做最小二乘法，用最小二乘法得到的估计，叫做最小二乘估计。当然，取平方和作为目标函数只是众多可取的方法之一。

   最小二乘法的一般形式可表示为：

    有效的最小二乘法是勒让德在 1805 年发表的，基本思想就是认为测量中有误差，所以所有方程的累积误差为

    我们求解出导致累积误差最小的参数即可：

    勒让德在论文中对最小二乘法的优良性做了几点说明：

•  最小二乘使得误差平方和最小，并在各个方程的误差之间建立了一种平衡，从而防止某一个极端误差取得支配地位
•  计算中只要求偏导后求解线性方程组，计算过程明确便捷
• 最小二乘可以导出算术平均值作为估计值

    对于最后一点，从统计学的角度来看是很重要的一个性质。推理如下：假设真值为 θ, x1,?,xn为n次测量值, 每次测量的误差为ei=xi?θ，按最小二乘法，误差累积为

    求解 使达到最小，正好是算术平均。

    由于算术平均是一个历经考验的方法，而以上的推理说明，算术平均是最小二乘的一个特例，所以从另一个角度说明了最小二乘方法的优良性，使我们对最小二乘法更加有信心。

    最小二乘法发表之后很快得到了大家的认可接受，并迅速的在数据分析实践中被广泛使用。不过历史上又有人把最小二乘法的发明归功于高斯，这又是怎么一回事 呢。高斯在1809年也发表了最小二乘法，并且声称自己已经使用这个方法多年。高斯发明了小行星定位的数学方法，并在数据分析中使用最小二乘方法进行计 算，准确的预测了谷神星的位置。

    说了这么多，貌似跟本文的主题SVM没啥关系呀，别急，请让我继续阐述。本质上说，最小二乘法即是一种参数估计方法，说到参数估计，咱们得从一元线性模型说起。

3.4.2、最小二乘法的解法

    则通过Q最小确定这条直线，即确定，以为变量，把它们看作是Q的函数，就变成了一个求极值的问题，可以通过求导数得到。

    求Q对两个待估参数的偏导数：

   OK，更多请参看陈希孺院士的《数理统计学简史》的第4章、最小二乘法。

3.5、SMO算法

  s.t：

且

    注：这里得到的min函数与我们之前的max函数实质也是一样，因为把符号变下，即有min转化为max的问题，且yi也与之前的等价，yj亦如此。

    经过加入松弛变量后，模型修改为：

    这里的还是拉格朗日乘子(问题通过拉格朗日乘法数来求解)

1. 对于第1种情况，表明是正常分类，在边界内部（我们知道正确分类的点yi*f(xi)>=0）；
2. 对于第2种情况，表明了是支持向量，在边界上；
3. 对于第3种情况，表明了是在两条边界之间；

而最优解需要满足KKT条件，即上述3个条件都得满足，以下几种情况出现将会出现不满足：

• <=1但是<C则是不满足的,而原本=C
• >=1但是>0则是不满足的而原本=0
• =1但是=0或者=C则表明不满足的，而原本应该是0<<C

    所以要找出不满足KKT条件的这些ai，并更新这些ai，但这些ai又受到另外一个约束，即

    这里，，表示旧值，k（xi，xi）为核函数的表现形式。

    然后考虑约束0<=aj<=C可得到a的解析解为：

    对于。

    那么如何求得ai和aj呢？

• 对于ai，即第一个乘子，可以通过刚刚说的那几种不满足KKT的条件来找；
• 而对于第二个乘子aj可以找满足条件 ：求得。

    而b的更新则是：

3.5.2、SMO算法的步骤

    这样，SMO的主要步骤如下：

    意思是，

1. 第一步选取一对和，选取方法使用启发式方法；
2. 第二步，固定除和之外的其他参数，确定W极值条件下的，由表示。

    假定在某一次迭代中，需要更新，对应的拉格朗日乘子，，那么这个小规模的二次规划问题写为：

    那么在每次迭代中，如何更新乘子呢？引用这里的两张PPT说明下：

     综上，SMO算法的基本思想是将Vapnik在1982年提出的Chunking方法推到极致，SMO 算法每次迭代只选出两个分量ai和aj进行调整，其它分量则保持固定不变，在得到解ai和aj之后，再用ai和aj改进其它分量。与通常的分解算法比较， 尽管它可能需要更多的迭代次数，但每次迭代的计算量比较小，所以该算法表现出整理的快速收敛性，且不需要存储核矩阵，也没有矩阵运算。

3.5.3、SMO算法的实现

    行文至此，我相信，SVM理解到了一定程度后，是的确能在脑海里从头至尾推导出相关公式的，最初分类函数，最大化分类间 隔，max1/||w||，min1/2||w||^2，凸二次规划，拉格朗日函数，转化为对偶问题，SMO算法，都为寻找一个最优解，一个最优分类平 面。一步步梳理下来，为什么这样那样，太多东西可以追究，最后实现。如下图所示：

    至于下文中将阐述的核函数则为是为了更好的处理非线性可分的情况，而松弛变量则是为了纠正或约束少量“不安分”或脱离集体不好归类的因子。

    台湾的林智仁教授写了一个封装SVM算法的libsvm库，大家可以看看，此外这里还有一份libsvm的注释文档。

    除了在这篇论文《fast training of support vector machines using sequential minimal optimization》中platt给出了SMO算法的逻辑代码之外，这里也有一份SMO的实现代码，大家可以看下。

    其余更多请参看文末参考文献和推荐阅读中的条目6《支持向量机--算法、理论和扩展》和条目11《统计学习方法》的相关章节，或跳至下文3.4节。

3.6、SVM的应用

    或许我们已经听到过，SVM在很多诸如文本分类，图像分类，生物序列分析和生物数据挖掘，手写字符识别等领域有很多的应用，但或许你并没强烈的意识到，SVM可以成功应用的领域远远超出现在已经在开发应用了的领域。

  3.6.1、文本分类

    一个文本分类系统不仅是一个自然语言处理系统，也是一个典型的模式识别系统，系统的输入是需要进行分类处理的文本，系统的输出则是与文本关联的类别。由于篇幅所限，其它更具体内容本文将不再详述。

    OK，本节虽取标题为证明SVM，但聪明的读者们想必早已看出，其实本部分并无多少证明部分（特此致歉），怎么办呢？可以参阅《支持向量机导论》一书，此书精简而有趣。本节完。

参考文献及推荐阅读

1. 《支持向量机导论》，[美] Nello Cristianini / John Shawe-Taylor 著；
   
2. 支持向量机导论一书的支持网站：http://www.support-vector.net/；
   
3. 《数据挖掘导论》，[美] Pang-Ning Tan / Michael Steinbach / Vipin Kumar 著；
   
4. 《数据挖掘：概念与技术》，(加)Jiawei Han;Micheline Kamber 著；
   
5. 《数据挖掘中的新方法：支持向量机》，邓乃扬 田英杰 著；
   
6. 《支持向量机--理论、算法和扩展》，邓乃扬 田英杰 著；
7. 支持向量机系列，pluskid：http://blog.pluskid.org/?page_id=683；
8. http://www.360doc.com/content/07/0716/23/11966_615252.shtml；
   
9. 数据挖掘十大经典算法初探；
   
10. 《模式识别支持向量机指南》，C.J.C Burges 著；
    
11. 《统计学习方法》，李航著(第7章有不少内容参考自支持向量机导论一书，不过，可以翻翻看看)；
12. 《统计自然语言处理》，宗成庆编著，第十二章、文本分类；
13. SVM入门系列，Jasper：http://www.blogjava.net/zhenandaci/category/31868.html；
14. 最近邻决策和SVM数字识别的实现和比较，作者不详；
15. 斯坦福大学机器学习课程原始讲义：http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2012/05/08/2489725.html；
16. 斯坦福机器学习课程笔记：http://www.cnblogs.com/jerrylead/tag/Machine%20Learning/；
17. http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2011/03/13/1982639.html；
    
18. SMO算法的数学推导：http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2011/03/18/1988419.html；
    
19. 数据挖掘掘中所需的概率论与数理统计知识、上；
    
20. 关于机器学习方面的文章，可以读读：http://www.cnblogs.com/vivounicorn/category/289453.html；
21. 数学系教材推荐：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e638d950100dswh.html；
22. 《神经网络与机器学习(原书第三版)》，[加] Simon Haykin 著；
    
23. 正态分布的前世今生：http://t.cn/zlH3Ygc；
24. 《数理统计学简史》，陈希孺院士著；
    
25. 《最优化理论与算法(第2版)》，陈宝林编著；
26. A Gentle Introduction to Support Vector Machines in Biomedicine：http://www.nyuinformatics.org/downloads/supplements/SVM_Tutorial_2010/Final_WB.pdf，此PPT很赞，除了对引入拉格朗日对偶变量后的凸二次规划问题的深入度不够之外，其它都挺好，配图很精彩，本文有几张图便引自此PPT中；
27. 来自卡内基梅隆大学carnegie mellon university(CMU)的讲解SVM的PPT：http://www.autonlab.org/tutorials/svm15.pdf；
28. 发明libsvm的台湾林智仁教授06年的机器学习讲义SVM：http://wenku.baidu.com/link?url=PWTGMYNb4HGUrUQUZwTH2B4r8pIMgLMiWIK1ymVORrds_11VOkHwp-JWab7IALDiors64JW_6mD93dtuWHwFWxsAk6p0rzchR8Qh5_4jWHC；
29. http://staff.ustc.edu.cn/~ketang/PPT/PRLec5.pdf；
    
30. Introduction to Support Vector Machines (SVM)，By Debprakash Patnai M.E (SSA)，https://www.google.com.hk/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3a%2f%2fwww%2epws%2estu%2eedu%2etw%2fccfang%2findex%2efiles%2fAI%2fAI%26ML-Support%2520Vector%2520Machine-1%2eppt&ei=JRR6UqT5C-iyiQfWyIDgCg&usg=AFQjCNGw1fTbpH4ltQjjmx1d25ZqbCN9nA；
    
31. 多人推荐过的libsvm：http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm/；
32. 《machine learning in action》，中文版为《机器学习实战》；
33. SMO算法的提出：fast training of support vector machines using sequential minimal optimization，http://research.microsoft.com/en-us/um/people/jplatt/smo-book.pdf；
34. 《统计学习理论的本质》，[美] Vladimir N. Vapnik著，非常晦涩，不做过多推荐；
35. 张兆翔，机器学习第五讲之支持向量机http://irip.buaa.edu.cn/~zxzhang/courses/MachineLearning/5.pdf；
36. VC维的理论解释：http://www.svms.org/vc-dimension/，中文VC维解释http://xiaoxia001.iteye.com/blog/1163338；
37. 来自NEC Labs America的Jason Weston关于SVM的讲义http://www.cs.columbia.edu/~kathy/cs4701/documents/jason_svm_tutorial.pdf；
38. 来自MIT的SVM讲义：http://www.mit.edu/~9.520/spring11/slides/class06-svm.pdf；
39. PAC问题：http://www.cs.huji.ac.il/~shashua/papers/class11-PAC2.pdf；
40. 百度张潼老师的两篇论文：《Statistical behavior and consistency of classification methods based on convex risk minimization》http://home.olemiss.edu/~xdang/676/Consistency_of_Classification_Convex_Risk_Minimization.pdf，《Statistical analysis of some multi-category large margin classification methods》；
41. http://jacoxu.com/?p=39；
42. 《矩阵分析与应用》，清华张贤达著；
43. SMO算法的实现：http://blog.csdn.net/techq/article/details/6171688；
44. 常见面试之机器学习算法思想简单梳理：http://www.cnblogs.com/tornadomeet/p/3395593.html；
45. 矩阵的wikipedia页面：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%A9%E9%98%B5；
46. 最小二乘法及其实现：http://blog.csdn.net/qll125596718/article/details/8248249；
    
47. 统计学习方法概论：http://blog.csdn.net/qll125596718/article/details/8351337；
48. http://www.csdn.net/article/2012-12-28/2813275-Support-Vector-Machine；
    
49. A Tutorial on Support Vector Regression：http://alex.smola.org/papers/2003/SmoSch03b.pdf；SVR简明版：http://www.cmlab.csie.ntu.edu.tw/~cyy/learning/tutorials/SVR.pdf。
50. SVM Org：http://www.support-vector-machines.org/；
51. R. Collobert. Large Scale Machine Learning. Université Paris VI phd thesis. 2004：http://ronan.collobert.com/pub/matos/2004_phdthesis_lip6.pdf；
    
52. Making Large-Scale SVM Learning Practical：http://www.cs.cornell.edu/people/tj/publications/joachims_99a.pdf；
53. 文本分类与SVM：http://blog.csdn.net/zhzhl202/article/details/8197109；
    
54. Working Set Selection Using Second Order Information
    for Training Support Vector Machines：http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/papers/quadworkset.pdf；
55. ..

机器学习——svm支持向量机的原理

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