支持向量机(SVM)

作者:godenlove007

本文转载自:http://blog.sina.com.cn/s/blog_6f66b3910100qjka.html,谢谢!

简介

    支持向量机(Support Vector Machine,SVM)是Corinna Cortes和Vapnik8等于1995年首先提出的,它在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势,并能够推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中。

    支持向量机方法是建立在统计学习理论的VC 维理论和结构风险最小原理基础上的,根据有限的样本信息在模型的复杂性(即对特定训练样本的学习精度)和学习能力(即无错误地识别任意样本的能力)之间寻求最佳折衷,以期获得最好的推广能力。

相关知识

    我们通常希望分类的过程是一个机器学习的过程。这些数据点是n维实空间中的点。我们希望能够把这些点通过一个n-1维的超平面分开。通常这个被称为线性分类器。有很多分类器都符合这个要求。但是我们还希望找到分类最佳的平面,即使得属于两个不同类的数据点间隔最大的那个面,该面亦称为最大间隔超平面。如果我们能够找到这个面,那么这个分类器就称为最大间隔分类器

支持原因

  支持向量机将向量映射到一个更高维的空间里,在这个空间里建立有一个最大间隔超平面。在分开数据的超平面的两边建有两个互相平行的超平面。建立方向合适的分隔超平面使两个与之平行的超平面间的距离最大化。其假定为,平行超平面间的距离或差距越大,分类器的总误差越小。一个极好的指南是C.J.C Burges的《模式识别支持向量机指南》。
支持向量概述
  所谓支持向量是指那些在间隔区边缘的训练样本点。这里的“机(machine,机器)”实际上是一个算法。在机器学习领域,常把一些算法看做是一个机器。   支持向量机(Support vector machines,SVM)与神经网络类似,都是学习型的机制,但与神经网络不同的是SVM使用的是数学方法和优化技术。
相关技术支持
  支持向量机是由Vapnik领导的AT&TBell实验室研究小组在1963年提出的一种新的非常有潜力的分类技术,SVM是一种基于统计学习理论的模式识别方法,主要应用于模式识别领域。由于当时这些研究尚不十分完善,在解决模式识别问题中往往趋于保守,且数学上比较艰涩,这些研究一直没有得到充分的重视。直到90年代,统计学习理论 (Statistical Learning Theory,SLT)的实现和由于神经网络等较新兴的机器学习方法的研究遇到一些重要的困难,比如如何确定网络结构的问题、过学习与欠学习问题、局部极小点问题等,使得SVM迅速发展和完善,在解决小样本、非线性及高维模式识别问题中表现出许多特有的优势,并能够推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中。从此迅速的发展起来,现在已经在许多领域(生物信息学,文本和手写识别等)都取得了成功的应用。   
    SVM的关键在于核函数。低维空间向量集通常难于划分,解决的方法是将它们映射到高维空间。但这个办法带来的困难就是计算复杂度的增加,而核函数正好巧妙地解决了这个问题。也就是说,只要选用适当的核函数,就可以得到高维空间的分类函数。在SVM理论中,采用不同的核函数将导致不同的SVM算法。

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SVM(support vector machine 支持向量机)

  支持向量机SVM(Support Vector Machine)作为一种可训练的机器学习方法,依靠小样本学习后的模型参数进行导航星提取,可以得到分布均匀且恒星数量大为减少的导航星表

  基本情况 Vapnik等人在多年研究统计学习理论基础上对线性分类器提出了另一种设计最佳准则。其原理也从线

性可分说起,然后扩展到线性不可分的情况。甚至扩展到使用非线性函数中去,这种分类器被称为支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)。支持向量机的提出有很深的理论背景。支持向量机方法是在近年来提出的一种新方法。

  SVM的主要思想可以概括为两点: (1) 它是针对线性可分情况进行分析,对于线性不可分的情况,通过使用非线性映射算法将低维输入空间线性不可分的样本转化为高维特征空间使其线性可分,从而使得高维特征空间采用线性算法对样本的非线性特征进行线性分析成为可能;(2) 它基于结构风险最小化理论之上在特征空间中建构最优分割超平面,使得学习器得到全

局最优化,并且在整个样本空间的期望风险以某个概率满足一定上界。

  在学习这种方法时,首先要弄清楚这种方法考虑问题的特点,这就要从线性可分的最简单情况讨论起,在没有弄懂其原理之前,不要急于学习线性不可分等较复杂的情况,支持向量机在设计时,需要用到条件极值问题的求解,因此需用拉格朗日乘子理论,但对多数人来说,以前学到的或常用的是约束条件为等式表示的方式,但在此要用到以不等式作为必须满足的条件,此时只要了解拉格朗日理论的有关结论就行。

svm的一般特征

  (1)SVM学习问题可以表示为凸优化问题,因此可以利用已知的有效算法发现目标函数的全局最小值。而其他分类方法(如基于规则的分类器和人工神经网络)都采用一种基于贪心学习的策略来搜索假设空间,这种方法一般只能获得局部最优解。

  (2)SVM通过最大化决策边界的边缘来控制模型的能力。尽管如此,用户必须提供其他参数,如使用核函数类型和引入松弛变量等。

  (3)通过对数据中每个分类属性引入一个哑变量,SVM可以应用与分类数据。

  (4)SVM不仅可以用在二类问题,还可以很好的处理多类问题。

1. SVM的优势 

(1)可以解决小样本情况下的机器学习问题

(2)可以提高泛化性能

(3)可以解决高维问题
(4)可以解决非线性问题

(5)可以避免神经网络结构选择和局部极小点问题

2. SVM的研究热点

(1)模式识别

(2)回归估计

(3)概率密度估计

3. SVM的主要核函数

(1)多项式核函数

(2)径向基核函数

(3)Sigmoid核函数

4. SVM的应用

(1)文本分类

(2)人脸识别

(3)三维物体识别

(4)遥感图像分析

(5)函数逼近

(6)时间序列预测

(7)数据压缩

(8)优化SVM算法

(9)SVM改进方法

(10)SVM硬件实现

5. SVM的难点

(1)如何在非监督模式识别问题中应用统计学习理论(SLT)

(2)如何用理论或实验的方法计算VC维

(3)经验风险和实际风险之间的关系称之为推广性的界,但是当(h/n)>0.37时(h—VC维,n—样本数),推广性的界是松弛的,如何寻找一个更好地反映学习机器能力的参数和得到更紧的界

(4)实现结构风险最小化(SRM)时,如何选择函数子集结构

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SVM有如下主要几个特点

   (1)非线性映射是SVM方法的理论基础,SVM利用内积核函数代替向高维空间的非线性映射;

    (2)对特征空间划分的最优超平面是SVM的目标,最大化分类边际的思想是SVM方法的核心;

    (3)支持向量是SVM的训练结果,在SVM分类决策中起决定作用的是支持向量。

    (4)SVM 是一种有坚实理论基础的新颖的小样本学习方法。它基本上不涉及概率测度及大数定律等,因此不同于现有的统计方法。从本质上看,它避开了从归纳到演绎的传统过程,实现了高效的从训练样本到预报样本的“转导推理”,大大简化了通常的分类和回归等问题。

    (5)SVM 的最终决策函数只由少数的支持向量所确定,计算的复杂性取决于支持向量的数目,而不是样本空间的维数,这在某种意义上避免了“维数灾难”。

    (6)少数支持向量决定了最终结果,这不但可以帮助我们抓住关键样本、“剔除”大量冗余样本,而且注定了该方法不但算法简单,而且具有较好的“鲁棒”性。这种“鲁棒”性主要体现在:
    ①增、删非支持向量样本对模型没有影响;
    ②支持向量样本集具有一定的鲁棒性;
    ③有些成功的应用中,SVM 方法对核的选取不敏感

两个不足:

(1) SVM算法对大规模训练样本难以实施

由于SVM是借助二次规划来求解支持向量,而求解二次规划将涉及m阶矩阵的计算(m为样本的个数),当m数目很大时该矩阵的存储和计算将耗费大量的机器内存和运算时间。针对以上问题的主要改进有有J.Platt的SMO算法、T.Joachims的SVM、C.J.C.Burges等的PCGC、张学工的CSVM以及O.L.Mangasarian等的SOR算法

(2) 用SVM解决多分类问题存在困难
经典的支持向量机算法只给出了二类分类的算法,而在数据挖掘的实际应用中,一般要解决多类的分类问题。可以通过多个二类支持向量机的组合来解决。主要有一对多组合模式、一对一组合模式和SVM决策树;再就是通过构造多个分类器的组合来解决。主要原理是克服SVM固有的缺点,结合其他算法的优势,解决多类问题的分类精度。如:与粗集理论结合,形成一种优势互补的多类问题的组合分类器。


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