码迷,mamicode.com
首页 > 编程语言 > 详细

SVM之SMO算法(转)

时间:2016-05-22 00:34:06      阅读:297      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:

支持向量机(Support Vector Machine)-----SVM之SMO算法(转)

此文转自两篇博文 有修改

序列最小优化算法(英语:Sequential minimal optimization, SMO)是一种用于解决支持向量机训练过程中所产生优化问题的算法。SMO由微软研究院的约翰·普莱特(John Platt)发明于1998年,目前被广泛使用于SVM的训练过程中,并在通行的SVM库libsvm中得到实现。

1998年,SMO算法发表在SVM研究领域内引起了轰动,因为先前可用的SVM训练方法必须使用复杂的方法,并需要昂贵的第三方二次规划工具。而SMO算法较好地避免了这一问题。

 

前面最后留下来一个对偶函数最后的优化问题,原式为:

 

         技术分享

 

                               -----------------这个是由拉格朗日方法 然后求偏导 列式带入核函数得到的目标函数

                                                        技术分享        技术分享

 

                                                                     技术分享          

 

 

SMO就是要解这个凸二次规划问题,这里的C是个很重要的参数,它从本质上说是用来折中经验风险和置信风险的,C越大,置信风险越大,经验风险越小;并且所有的技术分享因子都被限制在了以C为边长的大盒子里。

 

 

算法详述

(1)、 KKT条件

        SMO是以C-SVC的KKT条件为基础进行后续操作的,这个KKT条件是:

                                         技术分享

                                         技术分享

                                         技术分享

          其中技术分享

上述条件其实就是KT互补条件,SVM学习——软间隔优化一文,有如下结论:

                                 技术分享 技术分享

                                         技术分享 技术分享

       从上面式子可以得到的信息是:当技术分享时,松弛变量技术分享,此时有:技术分享,对应样本点就是误分点;当技术分享时,松弛变量技术分享为零,此时有技术分享,对应样本点就是内部点,即分类正确而又远离最大间隔分类超平面的那些样本点;而技术分享时,松弛变量技术分享为零,有技术分享,对应样本点就是支持向量。

(2)、凸优化问题停止条件

对于凸优化问题,在实现时总需要适当的停止条件来结束优化过程,停止条件可以是:

       1、监视目标函数技术分享的增长率,在它低于某个容忍值时停止训练,这个条件是最直白和简单的,但是效果不好;

       2、监视原问题的KKT条件,对于凸优化来说它们是收敛的充要条件,但是由于KKT条件本身是比较苛刻的,所以也需要设定一个容忍值,即所有样本在容忍值范围内满足KKT条件则认为训练可以结束;

       3、监视可行间隙,它是原始目标函数值和对偶目标函数值的间隙,对于凸二次优化来说这个间隙是零,以一阶范数软间隔为例:

原始目标函数技术分享与对偶目标函数技术分享的差为:

        技术分享

                                     技术分享

                                     技术分享

                                     技术分享

                                     技术分享

定义比率:

                 技术分享,可以利用这个比率达到某个容忍值作为停止条件。

(3)、SMO思想

        沿袭分解思想,固定“Chunking工作集”的大小为2,每次迭代只优化两个点的最小子集且可直接获得解析解,算法流程:

 

技术分享

 

(4)、仅含两个Langrange乘子解析解

       为了描述方便定义如下符号:

                                          技术分享

                                         技术分享

                                          技术分享

于是目标函数就变成了:

                                         技术分享   

                                                      技术分享   

                                                      技术分享

                                                                                     技术分享          

                                                      技术分享

                                                                                     技术分享

                                                      技术分享

                                                                     技术分享

                                                                     技术分享

                                                      技术分享

                                                                    技术分享

注意第一个约束条件:技术分享,可以将技术分享看作常数,有技术分享(技术分享为常数,我们不关心它的值),等式两边同时乘以技术分享,得到技术分享技术分享为常数,其值为技术分享,我们不关心它,技术分享)。将技术分享用上式替换则得到一个只含有变量技术分享的求极值问题:

                                         技术分享

                                                           技术分享                                        

这下问题就简单了,对技术分享求偏导数得到:

                                        技术分享

技术分享技术分享带入上式有:

                    技术分享

带入技术分享技术分享,用技术分享,表示误差项(可以想象,即使分类正确,技术分享的值也可能很大)、技术分享(技术分享是原始空间向特征空间的映射),这里技术分享可以看成是一个度量两个样本相似性的距离,换句话说,一旦选择核函数则意味着你已经定义了输入空间中元素的相似性

最后得到迭代式:

                                        技术分享

注意第二个约束条件——那个强大的盒子:技术分享,这意味着技术分享也必须落入这个盒子中,综合考虑两个约束条件,下图更直观:

技术分享

技术分享技术分享异号的情形

技术分享

技术分享技术分享同号的情形

可以看到技术分享两个乘子既要位于边长为C的盒子里又要在相应直线上,于是对于技术分享的界来说,有如下情况:

                                         技术分享  技术分享

整理得下式:

                                          技术分享

又因为技术分享技术分享,消去技术分享后得到:

                                          技术分享

 

(5).综上可总结出SMO的算法框架

SMO算法是一个迭代优化算法。在每一个迭代步骤中,算法首先选取两个待更新的向量,此后分别计算它们的误差项,并根据上述结果计算出技术分享技术分享。最后再根据SVM的定义计算出偏移量技术分享。对于误差项而言,可以根据技术分享技术分享和b的增量进行调整,而无需每次重新计算。具体的算法如下:

 

1. 随机数初始化向量权重技术分享,并计算偏移b。(这一步初始化向量权重只要使技术分享符合上述的约束条件即可,原博文的程序就是range函数)

2.初始化误差项技术分享,其中 

技术分享   

技术分享

 

 

3.选取两个向量作为需要调整的点(例如第一次下标为1,2两点,第二次下标3,4...........),然后

    令技术分享其中技术分享(技术分享是原始空间向特征空间的映射),技术分享

 

 

4.if  技术分享>H   令技术分享=H   if  技术分享<L  令技术分享=L (L,H前面已给出)

5.令技术分享

 

6.利用更新的技术分享技术分享修改技术分享和b的值

7.如果达到终止条件,则算法停止,否则转向3

 

算法补充说明:

 优化向量选择方法

可以采用启发式的方法选择每次迭代中需要优化的向量。第一个向量可以选取不满足支持向量机KKT条件的向量,亦即不满足

技术分享

即:
   技术分享

   技术分享

   技术分享               其中技术分享

的向量。而第二个向量可以选择使得技术分享最大的向量。

    终止条件

SMO算法的终止条件可以为KKT条件对所有向量均满足,或者目标函数技术分享增长率小于某个阈值,即

技术分享(根据前面的凸优化问题停止条件所说,此效果可能不佳,可选择其他方法,见(2))

 

---------------------------------以下内容是有关可行间隙方法,乘子优化,SMO加速问题,是深化的内容------------------------------------------------

(6)、启发式的选择方法

        根据选择的停止条件可以确定怎么样选择点能对算法收敛贡献最大,例如使用监视可行间隙的方法,一个最直白的选择就是首先优化那些最违反KKT条件的点,所谓违反KKT条件是指:

                                          技术分享

                                          技术分享

                                          技术分享

其中KKT条件技术分享

由前面的停止条件3可知,对可行间隙贡献最大的点是那些

                                          技术分享

                                         其中技术分享

取值大的点,这些点导致可行间隙变大,因此应该首先优化它们(原因见原博文:http://www.cnblogs.com/vivounicorn/archive/2011/06/01/2067496.html)

 

  SMO的启发式选择有两个策略:

        启发式选择1:

        最外层循环,首先,在所有样本中选择违反KKT条件的一个乘子作为最外层循环,用“启发式选择2”选择另外一个乘子并进行这两个乘子的优化,接着,从所有非边界样本中选择违反KKT条件的一个乘子作为最外层循环,用“启发式选择2”选择另外一个乘子并进行这两个乘子的优化(之所以选择非边界样本是为了提高找到违反KKT条件的点的机会),最后,如果上述非边界样本中没有违反KKT条件的样本,则再从整个样本中去找,直到所有样本中没有需要改变的乘子或者满足其它停止条件为止。

        启发式选择2:

        内层循环的选择标准可以从下式看出:

                                             技术分享

要加快第二个乘子的迭代速度,就要使技术分享最大,而在技术分享上没什么文章可做,于是只能使技术分享最大。

确定第二个乘子方法:

        1、首先在非界乘子中寻找使得技术分享最大的样本;        

        2、如果1中没找到则从随机位置查找非界乘子样本;        

        3、如果2中也没找到,则从随机位置查找整个样本(包含界上和非界乘子)。

(7)、关于两乘子优化的说明  

         由式子

                    技术分享

        可知:

                   技术分享

于是对于这个单变量二次函数而言,如果其二阶导数技术分享,则二次函数开口向下,可以用上述迭代的方法更新乘子,如果技术分享,则目标函数只能在边界上取得极值(此时二次函数开口向上),换句话说,SMO要能处理技术分享取任何值的情况,于是在技术分享时有以下式子:

1、技术分享时:

                         技术分享

2、技术分享时:

                         技术分享

                       

 

3、                   技术分享

                                            技术分享

                                            技术分享

                                            技术分享                                     

                                            技术分享

                                                 技术分享

                                            技术分享

                                                技术分享

 

分别将乘子带入得到两种情况下的目标函数值: 技术分享技术分享。显然,哪种情况下目标函数值最大,则乘子就往哪儿移动,如果目标函数的差在某个指定精度范围内,说明优化没有进展。

        另外发现,每一步迭代都需要计算输出技术分享进而得到技术分享,于是还要更新阈值技术分享,使得新的乘子技术分享技术分享满足KKT条件,考虑技术分享技术分享至少有一个在界内,则需要满足技术分享,于是技术分享的迭代可以这样得到:

1、设技术分享在界内,则:

                        技术分享

又因为:    

                        技术分享技术分享

于是有:

                        技术分享

                        技术分享

等式两边同乘技术分享后移项得:

                        技术分享

                               技术分享

2、设技术分享在界内,则:

                        技术分享

3、设技术分享技术分享都在界内,则:情况1和情况2的技术分享值相等,任取一个;

4、设技术分享技术分享都不在界内,则:技术分享取值为情况1和情况2之间的任意值。

(8)、提高SMO的速度       

       从实现上来说,对于标准的SMO能提高速度的地方有:

       1、能用缓存的地方尽量用,例如,缓存核矩阵,减少重复计算,但是增加了空间复杂度;

       2、如果SVM的核为线性核时候,可直接更新技术分享,毕竟每次计算技术分享的代价较高,于是可以利用旧的乘子信息来更新技术分享,具体如下:

技术分享,应用到这个性质的例子可以参见SVM学习——Coordinate Desent Method。

       3、关注可以并行的点,用并行方法来改进,例如可以使用MPI,将样本分为若干份,在查找技术分享最大的乘子时可以现在各个节点先找到局部最大点,然后再从中找到全局最大点;又如停止条件是监视对偶间隙,那么可以考虑在每个节点上计算出局部可行间隙,最后在master节点上将局部可行间隙累加得到全局可行间隙。

SVM之SMO算法(转)

标签:

原文地址:http://www.cnblogs.com/zangrunqiang/p/5515872.html

(0)
(0)
   
举报
评论 一句话评论(0
登录后才能评论!
© 2014 mamicode.com 版权所有  联系我们:gaon5@hotmail.com
迷上了代码!