西瓜书扩展_支持向量机_间隔与支持向量

二分类问题

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,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:

                                                        y_{i}\left\{\begin{matrix}+1 \quad 红色点\\ -1 \quad 蓝色点\end{matrix}\right.

划分超平面方程

一个线性分类器就是要在n维的数据空间中找到一个分离超平面,其方程可以表示为:

                                                             w^Tx+b=0

其中w为法向量(控制超平面的旋转方向),b为截距(控制超平面离原点的位置)

我们令 f(x)=w^Tx+b,在进行分类的时候,我们将数据点x代入 f(x) 中,如果得到的结果<0,则赋予其类别-1,如果>0则赋予类别+1

几何间隔

取任一样本点x_{i}到超平面的垂直距离为γ,因向量w垂直于超平面,单位法向量为\frac{w}{||w||}

我们有:x_{0}=x_{i}-γ\frac{w}{||w||},且点x_{0}在超平面上,满足f(x_{0})=0,代入超平面方程:

w^T(x_{i}-γ\frac{w}{||w||})+b=0;解得γ=\frac{w^Tx_{i}+b}{||w||}

如果样本点x_{i}在分类+1这一侧的话,距离为γ,如果在分类-1一侧,距离表示为-γ

如果分类正确,则y_{i}w^Tx_{i}+b的符号一致(同正号或者同负号),把-γ的负号消去。

统一用γ表示任一样本点到超平面的几何距离:γ=y_{i}\frac{w^Tx_{i}+b}{||w||}或者γ=\frac{|w^Tx_{i}+b|}{||w||}

约束条件

我们希望样本全部分类正确,并且分类间隔边界(下图虚线)上的样本点为支持向量。

                                             \left\{\begin{matrix} w^Tx_{i}+b \geq +1, \quad y_{i}=+1\\  w^Tx_{i}+b \leq -1, \quad y_{i}=-1\end{matrix}\right.

如果分类正确,则y_{i}w^Tx_{i}+b的符号一致(同正号或者同负号),上式可以合并为:

                                                          y_{i}(w^Tx_{i}+b)\geq1

最大化分类间隔

对数据点进行分类的时候,当它的间隔越大的时候,置信度就越好。于是,我们希望能够最大化这个间隔。

支持向量x_{i}到划分超平面的距离:

                                                   γ=\frac{|w^Tx_{i}+b|}{||w||}=\frac{1}{||w||}

因划分超平面是间隔的中轴线:

                                                                γ=\frac{2}{||w||}

我们希望最大间隔,并同时满足于1.把两个类正确给分开,2.分类间隔边界上的样本点为支持向量;这两条约束: 

                                                               \underset{w,b}{\ max} \ \frac{2}{||w||}

                                s.t. \  y_{i}(w^Tx_{i}+b)\geq1,\quad i=1,2,...,n

注意最大化间隔,仅需最大化\ \frac{1}{||w||},等价于最小化\ \frac{1}{2}||w||^2(我在这里加上了平方和系数,是为了以后进行最优化的过程中对目标函数求导时比较方便,因为我们并不关心最优情况下目标函数的具体数值)

                                                               \underset{w,b}{\ min} \ \frac{1}{2}||w||^2

                                   s.t. \  y_{i}(w^Tx_{i}+b)\geq1,\quad i=1,2,...,n

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