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SVM之使用核函数的SMO算法

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用户6021899
发布2019-08-28 11:32:53
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发布2019-08-28 11:32:53
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对于数据集非线性可分的情况,要使用SVM,必须先用核函数将数据从低维空间映射到高维空间,转化成易于分离器理解的形式。核函数并不仅仅应用于SVM,很多其它的机器学习算法也会用到核函数。

径向基函数是SVM中常用的一类核函数。径向基函数是一个采用向量作为自变量的函数,能够基于向量距离运算出一个标量。这个距离可以是从零向量或者其它向量开始计算的距离。本篇我们会用到径向基函数的高斯版本,其公式为:

σ是用户定义的用于确定到达率(reach)或者说函数值跌落到零的速度参数。上述高斯核函数将数据从其特征空间映射到更高维的空间,具体说来这里是映射到了一个无穷维的空间。

具体算法实现的代码如下:

代码语言:javascript
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from numpy import *

def loadDataSet(fileName):
    #加载训练集
    dataMat = []; labelMat = []
    fr = open(fileName)
    for line in fr.readlines():
        lineArr = line.strip().split('\t')
        dataMat.append([float(lineArr[0]), float(lineArr[1])])
        labelMat.append(float(lineArr[2]))
    return dataMat,labelMat
    
def kernelTrans(X, A, kTup): #calc the kernel or transform data to a higher dimensional space
    m,n = shape(X)
    K = mat(zeros((m,1)))
    if kTup[0]=='lin': K = X * A.T   #linear kernel
    elif kTup[0]=='rbf':
        for j in range(m):
            deltaRow = X[j,:] - A
            K[j] = deltaRow*deltaRow.T
        K = exp(K/(-1*kTup[1]**2)) #divide in NumPy is 元素相除 not matrix like Matlab
    else: raise NameError('Houston We Have a Problem -- That Kernel is not recognized')
    return K
    
class optStruct:
    #用对象存储数据
    def __init__(self,dataMatIn, classLabels, C, toler, kTup):  # Initialize the structure with the parameters
        self.X = dataMatIn
        self.labelMat = classLabels
        self.C = C
        self.tol = toler
        self.m = shape(dataMatIn)[0]
        self.alphas = mat(zeros((self.m,1)))
        self.b = 0
        self.eCache = mat(zeros((self.m,2))) #误差缓存。1st 列为1时表示有效(计算好了误差)
        self.K = mat(zeros((self.m,self.m)))
        for i in range(self.m):
            self.K[:,i] = kernelTrans(self.X, self.X[i,:], kTup)
       
def calcEk(oS, k):
    #预测值的计算 和 非核函数版不同
    fXk = float(multiply(oS.alphas,oS.labelMat).T*oS.K[:,k] + oS.b) #预测值
    Ek = fXk - float(oS.labelMat[k]) #误差(预测值减真值)
    return Ek
    
def selectJrand(i,m):
    #随机选择一个不等于i的j值
    j=i
    while (j==i):
        j = int(random.uniform(0,m))
    return j
    
def selectJ(i, oS, Ei):
    #通过最大化步长的方式选择j (即选择第2个alpha)
    maxK = -1
    maxDeltaE = 0 # 用于缓存最大误差,用尽可小的值做初始值
    Ej = 0
    oS.eCache[i] = [1,Ei]   #误差缓存。1st 列为1时表示有效(计算好了误差)
    validEcacheList = nonzero(oS.eCache[:,0].A)[0] #返回非零误差缓存对应的行索引数组
    if (len(validEcacheList)) > 1:
        for k in validEcacheList:   #循环找到最大的delta E
            if k == i:
                continue #don't calc for i, waste of time
            Ek = calcEk(oS, k)
            deltaE = abs(Ei - Ek)
            if (deltaE > maxDeltaE):
                maxK = k
                maxDeltaE = deltaE
                Ej = Ek
        return maxK, Ej
    else:   #validEcacheList 为空,表示第一次循环。则随机选择不同于i的j
        j = selectJrand(i, oS.m)
        Ej = calcEk(oS, j)
    return j, Ej
    
def updateEk(oS, k):#任何alpha改变后更新新值到误差缓存
    Ek = calcEk(oS, k)
    oS.eCache[k] = [1,Ek]
   
def clipAlpha(aj,H,L):
    #切一切alphaj,使其限制在 L和 H之间
    if aj > H:
        aj = H
    if L > aj:
        aj = L
    return aj
    
def innerL(i, oS):
    Ei = calcEk(oS, i)
    if ((oS.labelMat[i]*Ei < -oS.tol) and (oS.alphas[i] < oS.C)) or ((oS.labelMat[i]*Ei > oS.tol) and (oS.alphas[i] > 0)):
        j,Ej = selectJ(i, oS, Ei) #和简化版不同
        alphaIold = oS.alphas[i].copy(); alphaJold = oS.alphas[j].copy();
        if (oS.labelMat[i] != oS.labelMat[j]):
            L = max(0, oS.alphas[j] - oS.alphas[i])
            H = min(oS.C, oS.C + oS.alphas[j] - oS.alphas[i])
        else:
            L = max(0, oS.alphas[j] + oS.alphas[i] - oS.C)
            H = min(oS.C, oS.alphas[j] + oS.alphas[i])
        if L==H:
            return 0
        eta = 2.0 * oS.K[i,j] - oS.K[i,i] - oS.K[j,j] #changed for kernel
        if eta >= 0:
            return 0
        oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j]*(Ei - Ej)/eta
        oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j],H,L)
        updateEk(oS, j) #更新到误差缓存
        if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001):
            #print ("j not moving enough")
            return 0
        oS.alphas[i] += oS.labelMat[j]*oS.labelMat[i]*(alphaJold - oS.alphas[j])#ai和aj变化量大小相等
        updateEk(oS, i) #更新到误差缓存,方向相反
        #b1、b2 的更新和 非核函数版不同
        b1 = oS.b - Ei- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,i] - oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[i,j]
        b2 = oS.b - Ej- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,j]- oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[j,j]
        if (0 < oS.alphas[i]) and (oS.C > oS.alphas[i]): oS.b = b1
        elif (0 < oS.alphas[j]) and (oS.C > oS.alphas[j]): oS.b = b2
        else: oS.b = (b1 + b2)/2.0
        return 1
    else: return 0
    
def smoP(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter,kTup=('lin', 0)):    #full Platt SMO
    oS = optStruct(mat(dataMatIn),mat(classLabels).transpose(),C,toler, kTup)
    iter_ = 0
    entireSet = True; alphaPairsChanged = 0
    while (iter_ < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)):
        alphaPairsChanged = 0
        if entireSet:   #go over all
            for i in range(oS.m):
                alphaPairsChanged += innerL(i,oS)
                #print( "fullSet, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter_,i,alphaPairsChanged))
            iter_ += 1
        else:#go over non-bound (railed) alphas
            nonBoundIs = nonzero((oS.alphas.A > 0) * (oS.alphas.A < C))[0]
            for i in nonBoundIs:
                alphaPairsChanged += innerL(i,oS)
                #print ("non-bound, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter_,i,alphaPairsChanged))
            iter_ += 1
        if entireSet:
            entireSet = False #toggle entire set loop
        elif (alphaPairsChanged == 0):
            entireSet = True 
    print ("iteration number: %d" % iter_)
    return oS.b,oS.alphas
       
def classfy(Xi, sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup): #做分类预测,返回+1或-1
    kernelEval = kernelTrans(sVs, Xi, kTup)
    y = kernelEval.T * multiply(labelSV,alphaSV) + b
    return sign(y)

下面是测试和2d绘图的代码(注意,本篇的算法适用于多维特征的数据集,但其中的绘图函数只适用于2d特征):

代码语言:javascript
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def testRbf(k1=1.3):
    dataArr,labelArr = loadDataSet('testSetRBF.txt')  # 训练集
    kTup=('rbf', k1)
    b,alphas = smoP(dataArr, labelArr, C=20, toler =0.0001, maxIter=100, kTup=kTup) #C=200 important
    datMat=mat(dataArr)
    labelMat = mat(labelArr).transpose()
    #支持向量以外的数据被舍弃,不参与预测
    svIndex=nonzero(alphas.A>0)[0] # Row index of alpha >0
    sVs=datMat[svIndex] #get matrix of only support vectors
    labelSV = labelMat[svIndex] # label of support vectors
    alphaSV = alphas[svIndex]
   
    print ("%d Support Vectors" % shape(sVs)[0])
    m,n = shape(datMat)
    errorCount = 0
    for i in range(m):
        if classfy(datMat[i,:], sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup) !=sign(labelArr[i]):
            errorCount += 1
    print ("training error rate is: %.2f%%" % (100*float(errorCount)/m))
    plot(datMat, sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup, radius=0.05,title ='Prediction and Support Vectors Circled on training set',set_="training")
   
    dataArr,labelArr = loadDataSet('testSetRBF2.txt') #测试集
    errorCount = 0
    datMat=mat(dataArr); labelMat = mat(labelArr).transpose()
    m,n = shape(datMat)
    for i in range(m):
        if classfy(datMat[i,:], sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup) !=sign(labelArr[i]):
            errorCount += 1  
    print ("test error rate is: %.2f%%" % (100*float(errorCount)/m) )
    plot(datMat, sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup, radius=0.05,title ='Prediction on test set',set_="test")

def plot(datMat, sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup, radius=0.05,title ='Support Vectors Circled', set_="training"):
    # 2D绘图仅适用于2个特征的数据集
    import matplotlib.pyplot as plt
    from matplotlib.patches import Circle
    m, n = datMat.shape
    if n!=2 :
        raise Error('dataset dimension error, column number does not equal to 2')
    xcord0, ycord0 = [], []
    xcord1, ycord1 = [], []
    for i in range(m): #all sample
        if classfy(datMat[i,:], sVs,labelSV,alphaSV, b,  kTup) == 1:#label ==1
            xcord0.append(float(datMat[i,0]))
            ycord0.append(float(datMat[i,1]))
        else: #label == -1
            xcord1.append(float(datMat[i,0]))
            ycord1.append(float(datMat[i,1]))
    fig  = plt.figure()
    ax = fig.add_subplot(111)         
    ax.scatter(xcord0,ycord0, marker='s', s=25, c='green',label ="label=+1")
    ax.scatter(xcord1,ycord1, marker='o', s=25, c='red', label ="label=-1")
    plt.xlabel("X0")
    plt.ylabel("X1")
    plt.title(title)
    plt.legend()
    if set_ =="training":
        for sv in sVs:
            #radius is radius of circle
            circle = Circle((sv[0,0], sv[0,1]), radius, facecolor='none', edgecolor='blue', lw=1, alpha=0.5)
            ax.add_patch(circle)
    plt.show()
testRbf(k1 =0.3) # k1为高斯核 中的 sigma,可人为调参

结果如下:

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原始发表:2019-08-23,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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