支持向量機：Outliers

by pluskid, on 2010-09-13, in Machine Learning???? 21 comments

本文是“支持向量機系列”的第四篇，參見本系列的其他文章。

在最開始討論支持向量機的時候，我們就假定，數據是線性可分的，亦即我們可以找到一個可行的超平面將數據完全分開。后來為了處理非線性數據，使用 Kernel 方法對原來的線性 SVM 進行了推廣，使得非線性的的情況也能處理。雖然通過映射 ?(?) 將原始數據映射到高維空間之后，能夠線性分隔的概率大大增加，但是對于某些情況還是很難處理。例如可能并不是因為數據本身是非線性結構的，而只是因為數據有噪音。對于這種偏離正常位置很遠的數據點，我們稱之為 outlier ，在我們原來的 SVM 模型里，outlier 的存在有可能造成很大的影響，因為超平面本身就是只有少數幾個 support vector 組成的，如果這些 support vector 里又存在 outlier 的話，其影響就很大了。例如下圖：

用黑圈圈起來的那個藍點是一個 outlier ，它偏離了自己原本所應該在的那個半空間，如果直接忽略掉它的話，原來的分隔超平面還是挺好的，但是由于這個 outlier 的出現，導致分隔超平面不得不被擠歪了，變成途中黑色虛線所示（這只是一個示意圖，并沒有嚴格計算精確坐標），同時 margin 也相應變小了。當然，更嚴重的情況是，如果這個 outlier 再往右上移動一些距離的話，我們將無法構造出能將數據分開的超平面來。

為了處理這種情況，SVM 允許數據點在一定程度上偏離一下超平面。例如上圖中，黑色實線所對應的距離，就是該 outlier 偏離的距離，如果把它移動回來，就剛好落在原來的超平面上，而不會使得超平面發生變形了。具體來說，原來的約束條件

yi(wTxi+b)≥1,i=1,…,n

現在變成

yi(wTxi+b)≥1?ξi,i=1,…,n

其中 ξi≥0 稱為松弛變量 (slack variable) ，對應數據點 xi 允許偏離的 functional margin 的量。當然，如果我們運行 ξi 任意大的話，那任意的超平面都是符合條件的了。所以，我們在原來的目標函數后面加上一項，使得這些 ξi 的總和也要最小：

min12∥w∥2+C∑i=1nξi

其中 C 是一個參數，用于控制目標函數中兩項（“尋找 margin 最大的超平面”和“保證數據點偏差量最小”）之間的權重。注意，其中 ξ 是需要優化的變量（之一），而 C 是一個事先確定好的常量。完整地寫出來是這個樣子：

mins.t.,12∥w∥2+C∑i=1nξiyi(wTxi+b)≥1?ξi,i=1,…,nξi≥0,i=1,…,n

用之前的方法將限制加入到目標函數中，得到如下問題：

L(w,b,ξ,α,r)=12∥w∥2+C∑i=1nξi–∑i=1nαi(yi(wTxi+b)?1+ξi)–∑i=1nriξi

分析方法和前面一樣，轉換為另一個問題之后，我們先讓 L 針對 w、b 和 ξ 最小化：

?L?w=0?L?b=0?L?ξi=0?w=∑i=1nαiyixi?∑i=1nαiyi=0?C?αi?ri=0,i=1,…,n

將 w 帶回 L 并化簡，得到和原來一樣的目標函數：

maxα∑i=1nαi–12∑i,j=1nαiαjyiyj?xi,xj?

不過，由于我們得到 C?αi?ri=0 ，而又有 ri≥0 （作為 Lagrange multiplier 的條件），因此有 αi≤C ，所以整個 dual 問題現在寫作：

maxαs.t.,∑i=1nαi–12∑i,j=1nαiαjyiyj?xi,xj?0≤αi≤C,i=1,…,n∑i=1nαiyi=0

和之前的結果對比一下，可以看到唯一的區別就是現在 dual variable α 多了一個上限 C 。而 Kernel 化的非線性形式也是一樣的，只要把 ?xi,xj? 換成 κ(xi,xj) 即可。這樣一來，一個完整的，可以處理線性和非線性并能容忍噪音和 outliers 的支持向量機才終于介紹完畢了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的支持向量机：Outliers的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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