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间隔与支持向量

间隔与支持向量

• 超平面

  • 通过如下线性方程来描述划分超平面

    $$\omega^T x + b = 0$$
  • $\omega$ 决定方向

  • $b$ 决定超平面与原点之间的距离

• 点到超平面距离

  $$r = \frac{|\omega^T + b|}{||w||}$$

  • 参考点到平面的距离

• 假设超平面能够正确分类样本，则可以通过对 $\omega$ 缩放可以使得下式成立

  $$\begin{equation} \begin{cases} \omega^T x_i + b \geqslant +1 & y_i = +1 \\ \omega^T x_i + b \leqslant -1 & y_i = -1 \end{cases} \end{equation} \\ 等价于 \\ y_i(\omega^Tx_i + b) \geqslant 1$$
• 距离超平面最近的训练样本点被称为 支持向量 ，支持向量到超平面的距离是 $\frac{1}{||\omega||}$，所以两个异类支持向量到超平面的距离之和为

  $$\gamma = \frac{2}{||\omega||}$$

  它被称为 间隔

• 找到具有 最大间隔 的划分超平面，也就是找到约束的参数 $\omega 和 b$ ，使得 $\gamma$ 最大，即

  $$\max\limits_{\omega,b} \frac{2}{\omega} \\ s.t. \ \ \ y_i(\omega^Tx_i + b) \geqslant 1, \ \ \ i=1,2,\cdots,m.$$

  • $b$ 通过约束隐式地影响着 $\omega$ 的取值，进而对间隔产生影响

• 为了最大化间隔，仅需最大化 $||\omega||^{-1}$ ，等价于最小化 $||\omega||^2$，得到支持向量机的基本型

  $$\min\limits_{\omega,b} \frac{1}{2} ||\omega||^2 \\ s.t.\ \ \ y_i(\omega^Tx_i + b) \geqslant 1, \ \ \ i = 1,2,\cdots,m.$$

对偶问题

• 间隔划分超平面所对应的模型

  $$f(x) = \omega^Tx + b$$
• 上述支持向量机基本型，是一个凸二次规划问题，可以用现成的优化计算包求解，但可以用更高效的方法。使用拉格朗日乘子法可得到其 对偶问题。每条约束添加拉格朗日乘子 $\alpha_i \geqslant 0$ ，则该问题的拉格朗日函数可写为

  $$L(\omega,b,\alpha) = \frac{1}{2}||\omega||^2 + \sum\limits_{i=1}\limits^{m}\alpha_i(1-y_i(\omega^Tx_i+b))$$
• 其中 $\alpha = (\alpha_1;\alpha_2;\cdots;\alpha_m)$ 。令 $L(\omega,b,\alpha)$ 对 $\omega$ 和 $b$ 的偏导为零可得

  $$\omega = \sum\limits_{i=1}\limits^{m} \alpha_i y_i x_i \\ 0 = \sum\limits_{i=1}^{m}\alpha_iy_i$$
• 带入 $L(\omega,b,\alpha)$ 得到对偶问题

  $$\max\limits_{\alpha} \sum\limits_{i-1}\limits^{m} \alpha_i - \frac{1}{2} \sum\limits_{i=1}\limits^{m} \sum\limits_{j=1}\limits^{m} \alpha_i\alpha_jy_iy_jx_i^Tx_j \\ s.t. \sum\limits_{i=1}\limits^{m} \alpha_iy_i = 0, \\ \alpha_i \geqslant 0, i = 1,2,\cdots,m.$$

  • $\alpha_i 对应着训练样本 (x_i,y_i)$

• 解出 $\alpha$ 后，求出 $\omega$ 和 $b$ 即可得到模型

  $$f(x) = \omega^Tx + b \\ = \sum\limits_{i=1}^{m} \alpha_i y_i x_i^Tx + b$$
• 又不等式约束，因此上述过程需满足 KKT 条件

  $$\begin{equation} \left\{ \begin{aligned} \alpha_i \geqslant 0 \\ y_if(x_i) - 1 \geqslant 0 \\ \alpha_i(y_if(x_i) - 1) = 0 \end{aligned} \right. \end{equation}$$

  ​

附录

点到直线距离

拉格朗日乘子法与KKT条件

拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier)和KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件是求解约束优化问题的重要方法。

• 在有等式约束时使用拉格朗日乘子法

• 在有不等约束时使用KKT条件

• 前提是：只有当目标函数为凸函数时，使用这两种方法才保证求得的是最优解

拉格朗日乘子法

问题

$$\min f(x) \\ s.t. \ \ \ h_i(x) = 0 \ \ \ i=0,1,\cdots,n$$

可转换为

min [f(x) + \sum\limits_{i=1}^\limits{n} \lambda_i h_i(x)]

其中 $\lambda_i \neq 0$，称为拉格朗日乘子

KKT条件

KKT条件是解决最优化问题的时用到的一种方法。我们这里提到的最优化问题通常是指对于给定的某一函数，求其在指定作用域上的全局最小值。

参考

参考网址

• 拉格朗日乘子法及KKT条件
• KKT条件