序列最小优化算法实现(Sequential Minimal Optimization)

项目地址:https://github.com/Daya-Jin/ML_for_learner/blob/master/svm/SMO.ipynb
原博客:https://daya-jin.github.io/2019/03/24/SequentialMinimalOptimization/

算法概述

在之前讲解SVM博客中,分析了SVM模型的理论基础与优化目标,并且讨论了SVM在达到最优解时的一些性质。但是前文中并没有提及SVM目标函数的优化方法,本文的目的就是讨论二次优化算法SMO用于SVM的学习。因为SMO算法涉及到的很多数学知识已超出本文范畴,某些地方只给出直接结论。

首先回顾SVM的优化目标为:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda}\ L(\lambda)&=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}\lambda_{i}\lambda_{j}y^{i}y^{j}x^{i}{x^{j}}^{T}-\sum_{i=1}^{m}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{i}\le{C}, \ \sum\limits\lambda_{i}y^{i}=0 \end{aligned}

为了将核函数加入进来,将目标函数中两训练样本的内积替换成核函数的形式:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda}\ L(\lambda)&=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{m}\lambda_{i}\lambda_{j}y^{i}y^{j}\kappa_{ij}-\sum_{i=1}^{m}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{i}\le{C}, \ \sum\limits\lambda_{i}y^{i}=0 \end{aligned}

SMO算法的核心思想是:每次只选取一对参数进行优化。假设在上述目标中,我们只令\lambda_{a}\lambda_为参数,其他\lambda为常数,那么优化问题可以写成:

\begin{aligned} \min\limits_{\lambda_{a},\lambda_} & \frac{1}{2}\lambda_{a}^{2}{y^{(a)}}^{2}\kappa_{aa}+\frac{1}{2}\lambda_^{2}{y^{(b)}}^{2}\kappa_{bb}+\frac{1}{2}\lambda_{a}y^{a}\sum\limits_{i{\ne}a}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{ai}+\frac{1}{2}\lambda_y^\sum\limits_{i{\ne}b}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{bi}-\lambda_{a}-\lambda_-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i} \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{a,b}\le{C}, \ \lambda_{a}y^{a}+\lambda_y^=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i} \\ \end{aligned}

去除无关常量,简化后的优化目标可以写成:

\begin{align*} \min\limits_{\lambda_{a},\lambda_} & \frac{1}{2}\lambda_{a}^{2}\kappa_{aa}+\frac{1}{2}\lambda_^{2}\kappa_{bb}+\frac{1}{2}\lambda_{a}y^{a}\sum\limits_{i{\ne}a}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{ai}+\frac{1}{2}\lambda_y^\sum\limits_{i{\ne}b}\lambda_{i}y^{i}\kappa_{bi}-\lambda_{a}-\lambda_ \\ s.t. \ & 0\le\lambda_{a,b}\le{C}, \ \lambda_{a}y^{a}+\lambda_y^=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i} \\ \end{align*}

在前文中提过SVM在优化后的一些性质,如对于分类正确的样本,其对应的\lambda_{i}是等于0的,同样的,那么对于软间隔SVM,不难推出优化后的几个性质:

样本分类情况 对应的\lambda
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0}){\ge}1 \lambda_{i}=0
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0}){\le}1 \lambda_{i}=C
y^{i}(x^{i}\theta^{T}+\theta_{0})=1 0<\lambda_{i}<C

优化策略

SMO每次只选取一对\lambda视为参数,假设先选定\lambda_{a},那么\lambda_的优化公式为:

\begin{aligned} \lambda_:&=\lambda_-\frac{y^((\hat{y}^{a}-y^{a})-(\hat{y}^-y^))}{2\kappa_{ab}-\kappa_{aa}-\kappa_{bb}} \\ &=\lambda_-\frac{y^(E_{a}-E_)}{\eta} \\ \end{aligned}

然后再看优化问题中的约束条件\lambda_{a}y^{a}+\lambda_y^=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i},由于只有\lambda_{a}\lambda_是参数,那么该优化条件还可以写成:\lambda_{a}y^{a}+\lambda_y^=\xi。而y^{a}y^的可能取值为\{-1,+1\},由几何方法可以得到优化参数\lambda的一个上下界:

  • y^{a}{\ne}y^L=\max(0,\lambda_-\lambda_{a}),H=\min(C,C+\lambda_-\lambda_{a})
  • y^{a}=y^,L=\max(0,\lambda_{a}+\lambda_-C)H=\min(C,\lambda_+\lambda_{a})

所以,在优化之后,还需要检验\lambda_是否还符合约束条件,若不满足,则需要做截断处理:

\lambda_= \begin{cases} H & \text{if $\lambda_>H$} \\ \lambda_ & \text{if $L<\lambda_<H$} \\ L & \text{if $\lambda_<L$} \\ \end{cases}

\lambda_{a}的优化公式为:

\lambda_{a}:=\lambda_{a}-y^{a}y^\Delta\lambda_

其中\Delta\lambda_=\lambda_^{new}-\lambda_^{old}。

针对任一一个\lambda,若\lambda在边界范围(0,C)内,可以推出对应的\theta_{0,k}

\theta_{0,k}=\theta_{0}-E_{k}-y^{a}\Delta\lambda_{a}\kappa_{ak}-y^\Delta\lambda_\kappa_{kb} \qquad k={a,b}

那么将其写成一个条件函数,可得到\theta_{0}的迭代优化公式:

\theta_{0}:= \begin{cases} \theta_{0,a} & \text{if $0<\lambda_{a}<C$} \\ \theta_{0,b} & \text{if $0<\lambda_<C$} \\ (\theta_{0,a}+\theta_{0,b})/2 & \text{otherwise} \\ \end{cases}

实现指导

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