[Hands On ML] 5. 支持向量机

Michael阿明

发布于 2021-02-19 09:53:28

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发布于 2021-02-19 09:53:28

文章被收录于专栏：Michael阿明学习之路

文章目录

- 1. 线性支持向量机分类
- 1. 非线性支持向量机分类
- - 2.1 多项式核
  - 2.2 高斯 RBF 核
- 1. 支持向量机回归
- 1. 原理

本文为《机器学习实战：基于Scikit-Learn和TensorFlow》的读书笔记。

中文翻译参考

SVM 特别适合应用于复杂但中小规模数据集的分类问题。

可参考：《统计学习方法》支持向量机（Support Vector Machines，SVM）笔记

1. 线性支持向量机分类

硬间隔最大化：数据必须线性可分，间隔内无数据点
软件间隔最大化：允许部分点在间隔内，甚至越过分类线，使用超参数 c 控制较小的 c：惩罚小，间隔更大，较大的 c：惩罚大，间隔小

如果 SVM 模型过拟合，可以尝试通过减小超参数C去调整 SVM 对特征缩放比较敏感

2. 非线性支持向量机分类

很多时候，数据是线性不可分的，我们可以增加特征，下图左侧数据线性不可分，增加 x2 项以后就可分了

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
import numpy as np

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.15, random_state=1)
def plot_dataset(X, y, axes):
    plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "bs")
    plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "g^")
    plt.axis(axes)
    plt.grid(True, which='both')
    plt.xlabel(r"$x_1$", fontsize=20)
    plt.ylabel(r"$x_2$", fontsize=20, rotation=0)

plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.show()

ploynomial_svm_clf = Pipeline((
    ("ploy_features",PolynomialFeatures(degree=3)),
    ("scaler",StandardScaler()),
    ("svm_clf",LinearSVC(C=10, loss="hinge"))
))

ploynomial_svm_clf.fit(X,y)

def plot_predictions(clf, axes):
    x0s = np.linspace(axes[0], axes[1], 100)
    x1s = np.linspace(axes[2], axes[3], 100)
    x0, x1 = np.meshgrid(x0s, x1s)
    X = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_pred = clf.predict(X).reshape(x0.shape)
    y_decision = clf.decision_function(X).reshape(x0.shape) # 样本点到分割超平面的函数距离
    plt.contourf(x0, x1, y_pred, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.2)
    plt.contourf(x0, x1, y_decision, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.1)

plot_predictions(ploynomial_svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])

# save_fig("moons_polynomial_svc_plot")
plt.show()

2.1 多项式核

添加多项式特征，产生了大量的特征，使模型变慢
使用核技巧，可以取得同等的效果，同时没有特征组合爆炸

from sklearn.svm import SVC

poly_kernel_svm_clf = Pipeline([
        ("scaler", StandardScaler()),
        ("svm_clf", SVC(kernel="poly", degree=3, coef0=1, C=5))
    ])
poly_kernel_svm_clf.fit(X, y)


poly100_kernel_svm_clf = Pipeline([
        ("scaler", StandardScaler()),
        ("svm_clf", SVC(kernel="poly", degree=10, coef0=100, C=5))
    ])
poly100_kernel_svm_clf.fit(X, y)

plt.figure(figsize=(11, 4))
plt.subplot(121)
plot_predictions(poly_kernel_svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.title(r"$d=3, r=1, C=5$", fontsize=18)
plt.subplot(122)
plot_predictions(poly100_kernel_svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.title(r"$d=10, r=100, C=5$", fontsize=18)

# save_fig("moons_kernelized_polynomial_svc_plot")
plt.show()

如果模型过拟合，可以减小多项式核的阶数，欠拟合则增大阶数
超参数 coef0 控制高阶多项式与低阶多项式对模型的影响

2.2 高斯 RBF 核

gamma1, gamma2 = 0.1, 5
C1, C2 = 0.001, 1000
hyperparams = (gamma1, C1), (gamma1, C2), (gamma2, C1), (gamma2, C2)

svm_clfs = []
for gamma, C in hyperparams:
    rbf_kernel_svm_clf = Pipeline([
            ("scaler", StandardScaler()),
            ("svm_clf", SVC(kernel="rbf", gamma=gamma, C=C))
        ])
    rbf_kernel_svm_clf.fit(X, y)
    svm_clfs.append(rbf_kernel_svm_clf)

plt.figure(figsize=(11, 7))

for i, svm_clf in enumerate(svm_clfs):
    plt.subplot(221 + i)
    plot_predictions(svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    gamma, C = hyperparams[i]
    plt.title(r"$\gamma = {}, C = {}$".format(gamma, C), fontsize=16)

plt.show()

增大 γ 使钟型曲线更窄，在单个样本周围环绕
较小 γ 使钟型曲线更宽，样本有更大的影响范围，判定边界最终则更加平滑
如果模型过拟合，减小γ值，若欠拟合，增大γ

计算复杂度

3. 支持向量机回归

回归：在间隔内放置尽可能多的样本点

from sklearn.svm import LinearSVR
svm_reg = LinearSVR(epsilon=1.5, random_state=1)

间隔大小由 ϵ \epsilon ϵ 控制

from sklearn.svm import SVR
svm_poly_reg1 = SVR(kernel="poly", degree=2, C=100, epsilon=0.1, gamma="auto")
svm_poly_reg2 = SVR(kernel="poly", degree=2, C=0.01, epsilon=0.1, gamma="auto")

多项式核化的非线性SVM

4. 原理

                                               y                               ^                                      =                                       {                                                                                                     0                                               if                                                                w                                                 T                                                              x                                              +                                              b                                              <                                              0                                                                                                                                                  1                                               if                                                                w                                                 T                                                              x                                              +                                              b                                              ≥                                              0                                                                                                             \hat{y}=\left\{\begin{array}{l}0 \text { if } \mathbf{w}^{T} \mathbf{x}+b<0 \\ 1 \text { if } \mathbf{w}^{T} \mathbf{x}+b \geq 0\end{array}\right.                     y^={0 if wTx+b<01 if wTx+b≥0