svm原理详细推导

笔者在查阅了大量资料和阅读大佬的讲解之后，终于对svm有了比较深一点的认识，先将理解的推导过程分享如下：

本文主要从如下五个方面进行介绍：基本推导，松弛因子，核函数，SMO算法，小结五个方面以%%为分隔，同时有些地方需要解释或者注意一下即在画有———符号的部分内。

本文主要介绍的是理论，并没有涉及到代码，关于代码的具体实现，可以在阅读完本文，掌握了SVM算法的核心内容后去看一下笔者另一篇SVM代码剖析：

https://blog.csdn.net/weixin_/article/details/

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基本推导

svm原理并不难理解，其可以归结为一句话，就是最大化离超平面最近点（支持向量）到该平面的距离。

如下图

svm原理详细推导

开门见山就是下面的最值优化问题：

$max_{w,b}(min_{x_{i}} \,\frac{y_{i}(w^{T}x_{i}+b)}{\left | w \right |} )$

注意

（1）这里的 $y_{i}$ 就是标签假设这里是二分类问题，其值是1和-1，其保证了不论样本属于哪一类 $y_{i}(w^{T}x_{i}+b)$ 都是大于0的

（2） $y_{i}(w^{T}x_{i}+b)$ 称为函数距离， $,\frac{y_{i}(w^{T} x_{i}+b)}{\left | w\right |}$ 称为几何距离，这里之所以要使用几何距离是因为，当成倍增加时，函数距离也会相应的成倍的增加，而几何函数则不会

这里涉及到求两个最值问题，比较棘手，正如上面所说，几何距离不受成倍增加的影响，这里不妨就将最近点到超平面的函数距离设为1，自然其他非最近点的函数距离便是大于1，于是以上问题转化为：

$\begin{matrix} max_{w,b} \, \frac{1}{\left | w \right |}\\ s.t \, \, \, y_{i}(wx_{i}+b)\geqslant 1 \end{matrix}\Rightarrow \begin{matrix} min_{w,b} \, \frac{1}{2}\left | w \right |^{2}\\ s.t \, \, \, y_{i}(wx_{i}+b)\geqslant 1 \end{matrix}$

这是一个在有不等式约束下，最小值优化的问题，这里可以使用kkt条件

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这里简单介绍一下kkt和拉格朗日乘子法（一般是用来求解最小值的优化问题的）

在求优化问题的时候，可以分为有约束和无约束两种情况。

针对有约束的情况又有两种情况即约束条件是等式或者是不等式

当是等式的时候：

$\begin{matrix} min f(x)\\ s.t. \, g_{i}(x)=0 \, \, i=1,2,,,m\end{matrix}$

首先写出其拉格朗日函数：

$\iota (x,\alpha )=f(x)+\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}g(x)\, \, (1)$

需满足的条件是：

$\alpha _{i}\not\equiv 0$

而当约束条件是不等式时，便可以使用kkt条件，其实kkt条件就是拉格朗日乘子法的泛化

$\begin{matrix} minf(x)\\ s.t. \, g_{i}(x)=0\,\, \, \, i=1,2,,,m \\ h_{j}(x)\leqslant 0\, \, \, j=1,2,,,n \end{matrix}$

同理首先写出拉格朗日函数：

${\color{Magenta} \iota (x,\alpha ,\theta )=f(x)+\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}g_{i}(x)+\sum_{j=1}^{n}\theta _{i}h_{i}(x)\, \, \, \, (2)}$

好了，接着往下走介绍拉格朗日对偶性：

上面问题可以转化为（称为原始问题）：

$min_{x}\, max_{\alpha ,\theta }\iota (x,\alpha ,\theta )$

为什么可以转化呢？这里是最难理解的：笔者还没有完全透彻的理解，这里试着解释一下吧，也是网上最流行的解释方法：

这里分两种情况进行讨论：

当g(x)或者h(x)不满足约束条件时：

那么显然： $max_{\alpha ,\theta }(x,\alpha ,\theta )=+\infty$ 因为当 svm原理详细推导 $\theta =+\infty$ , $g(x)\not\equiv 0$ 时我们令 $\alpha =-\infty$ 或者 $\alpha =+\infty$

当g(x)或者h(x)满足约束条件时：

$max_{\alpha ,\theta }(x,\alpha ,\theta )=f(x)$

综上所述：

$max_{\alpha ,\theta }(x,\alpha ,\theta )=\begin{pmatrix} f(x)\, \, \, \, \, \, \, \, \, \, g(x)\, and \, \, h(x) satisfy\, constraints\\ +\infty \, \, \, \, \, \, \, \, \, others \end{pmatrix}$

所以如果考虑极小值问题那么就可以转化为：

$min_{x}\, max_{\alpha ,\theta }\iota (x,\alpha ,\theta )$

还有一种比较直观的方法，这里不再证明，可以参考：如何通俗地讲解对偶问题？尤其是拉格朗日对偶lagrangian duality？ – 知乎第二个回答

对偶问题：

上面关于拉格朗日最小最大值问题可以转化为求其对偶问题解决：

${\color{Magenta} {\color{Magenta} }{\color{Orchid} }max_{\alpha ,\theta }\, min_{x}\, \iota (x,\alpha ,\theta )}$

两者关系：

假设原始问题的最优解是 $p^{*}$ ,其对偶问题的最优解是 $d^{*}$ ,那么容易得到：

$min_{x}\, \, \iota (x,\alpha ,\theta )\leq \iota (x,\alpha ,\theta )\leqslant max_{\alpha ,\theta }\, \iota (x,\alpha ,\theta )\Rightarrow max_{\alpha ,\theta }\, min_{x}\, \iota (x,\alpha ,\theta )\, \leq min_{x}\, max_{\alpha ,\theta }\iota (x,\alpha ,\theta )\Rightarrow d^{*}\leq p^{*}$

即其对偶问题的解小于等于原始问题的解，现在我们要通过其对偶问题来求的原始问题的解对吧，所以我们希望的是 $d^{*}= p^{*}$

那么什么时候才能相等呢？这就必须满足的kkt条件：

${\color{Magenta} \left\{\begin{matrix} \frac{\partial \iota (x,\alpha ,\theta )}{\partial x}| _{x=x^{*}}=0\\ \frac{\partial \iota (x,\alpha ,\theta )}{\partial \alpha }|_{x=x^{*}}=0\\ \frac{\partial \iota (x,\alpha ,\theta )}{\partial \theta }|_{x=x^{*}}=0\\ \alpha _{i}\neq 0 \\ \theta _{j}\geqslant 0 \\ \theta _{j}h_{j}(x)|_{x=x^{*}}=0 \\ h_{j}(x)|_{x=x^{*}}\leq 0 \\ g_{i}(x)|_{x=x^{*}}=0 \end{matrix}\right.}$

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说了这么多拉格朗日的东西，其实其本质作用就是，将有不等式约束问题转化为无约束问题（极小极大值问题），然后又进一步在满足kkt条件下将问题转化为了其对偶问题，使之更容易求解，下面要用到的就是上面紫色的部分，关于更深的拉格朗日求解问题大家可以去收集资料参看。

对应到SVM的拉格朗日函数便是：

$\iota (w,b,\alpha )=\frac{1}{2}\left | w \right |^{2}{\color{Red} -}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}\left [ y_{i}(w^{T}x_{i}+b)-1 \right ]$

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注意上面给的不等式约束是 $h_{j}(x)\leq 0$ 即小于等于，而这里的不等式约束是大于等于所以红色部分是减法

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于是问题转化为：

$min_{w,b} \, \, (max_{\alpha }(\iota (w,b,\alpha )))$

根据对偶转化：

$max_{\alpha } \, \, (min_{w,b }(\iota (w,b,\alpha )))$

好啦，这里没什么说的就是根据kkt条件求偏导令其为0：

$\begin{matrix} \frac{\partial \iota (w,b,\alpha )}{\partial w}=w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}=0\\\frac{\partial\iota (w,b,\alpha) }{\partial b}=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0\end{matrix}$

于是就得到：

$\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}\\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}$

将上述两公式带入到 $\iota (w,b,\alpha )$ 如下：

$\iota (w,b,\alpha )=\frac{1}{2}w^{T}w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}w^{T}x_{i}-b\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}+\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}=\frac{1}{2}w^{T}w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}w^{T}x_{i}+\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}=\frac{1}{2}w^{T}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}-w^{T}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}+\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}w^{T}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}$

于是问题转化为：

$\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \alpha _{i}\geqslant 0 \\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}$

所以最后就得出这样的步骤：

1首先根据上面的最优化问题求出一些列的 $\alpha$

2然后求出w和b $\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}\\b=\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})\end{matrix}$

所以当一个样本进来的时候即值便是：

$y=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x+\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})$

3根据如下进行分类：

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

松弛因子

上面是SVM最基本的推导，下面说一下这种情况就是有一个点由于采集错误或者其他原因，导致其位置落在了别的离别当中，而svm是找最近的点，所以这时候找出的超平面就会过拟合，解决的办法就是忽略掉这些点（离群点），即假如松弛因子 $\beta _{i}\geqslant 0$ ,使几何距离不那么大于1

数学化后的约束条件即变为：

$min_{w,b,\beta } \, (\frac{1}{2}\left | w \right |^{2}+C\sum_{i=1}^{m}\beta_{i}) \\ s.t \, \, \, y_{i}(w^{T}x_{i}+b)\geqslant 1-\beta _{i}\\\beta _{i}\geq 0$

这里简单来理解一些C的含义：这是一个在使用SVM时需要调的参数， $\beta$ 代表离群点到底离群点有多远，而C就是我们对这些点的重视程度，假设现在 $\sum_{i=1}^{m}\beta_{i}$ 是一个定值，那么当C越大，就代表我们越重视这些点，越不想舍弃这些点，即极端的当 $C=+\infty$ 时，优化是求min，则无解，即对应的直观理解就是：这时线性不可分，大家都混在一起，这时又不想舍弃任何一个点，自然就不能找到适合的超平面（当然可以使用核函数进行映射分类，后面说明）

接下来还是使用上面拉格朗日对偶问题进行求解，这里就不详细说明了，直接给出过程：

$\begin{matrix} min_{w,b,\beta }\, \, \, max_{\alpha ,\gamma }(\frac{1}{2}|w|^{2}+C\sum_{i=1}^{m}\beta _{i}-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}(y_{i}(wx_{i}+b)-1+\beta _{i})-\sum_{j=1}^{m}\gamma _{j}\beta _{j})\\ {\color{Red} \Rightarrow }\\ max_{\alpha ,\gamma }\, \, \, min_{w,b,\beta }(\frac{1}{2}|w|^{2}+C\sum_{i=1}^{m}\beta _{i}-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}(y_{i}(wx_{i}+b)-1+\beta _{i})-\sum_{j=1}^{m}\gamma _{j}\beta _{j}) \end{matrix}$

令 svm原理详细推导

$\iota (w,b,\beta ,\alpha ,\gamma )=\frac{1}{2}|w|^{2}+C\sum_{i=1}^{m}\beta _{i}-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}(y_{i}(wx_{i}+b)-1+\beta _{i})-\sum_{j=1}^{m}\gamma _{j}\beta _{j}$

求导令其为0：

$\frac{\partial \iota (w,b,\beta ,\alpha ,\gamma )}{\partial w}=w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}=0\Rightarrow w=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}$

$\frac{\partial \iota (w,b,\beta ,\alpha ,\gamma )}{\partial b}=-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0\Rightarrow \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0$

$\frac{\partial \iota (w,b,\beta ,\alpha ,\gamma )}{\partial \beta }=0\Rightarrow C-\alpha _{i}-\gamma _{i}=0$

将其带入最终问题可得：

$max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}$

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这里得到的和没加松弛变量时是一样的

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对应的kkt条件为：

$\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \, \, \, (1)$

$\alpha _{i}\left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]=0\, \, \, \, (2)$

$\left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]\geq 0\, \, \, \, (3)$

$\gamma _{i}\beta _{i}=0\, \, (4)$

$\beta _{i}\geq 0\, \, \, (5)$

$\alpha _{i}\geq 0\, \, \, (6)$

$\gamma _{i}\geq 0\, \, \, (7)$

$C-\alpha _{i}-\gamma _{i}=0\, \, \, (8)$

$w=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}\, \, \, \, (9)$

注意如下几点：

一：对比最开始的kkt条件模板

这里的(1)(8)(9)是求偏导的结果即一二三公式，(6)(7)是拉格朗日乘子即相当于模板的第五公式，(2)(4)相当于模板第六个公式，(3)(5)是原始约束条件即相当于模板的第七个公式

二：可以将kkt中部分条件进行总结归纳：（6）（7）（8）三个条件：

$\begin{matrix} \gamma _{i}=C-\alpha _{i}\\ \gamma _{i}\geq 0 \end{matrix}\Rightarrow C-\alpha _{i}\geq 0\Rightarrow \alpha _{i}\leq C$

$\begin{matrix} \alpha _{i}\leq C\\ \alpha _{i}\geq 0 \end{matrix}\Rightarrow 0\leq \alpha _{i}\leq C$

所以可以总结为：

$\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \\ 0\leq \alpha _{i}\leq C \end{matrix}$

可以看到这里和没加松弛变量相比，唯一不同的就是 ${\color{Red} \alpha }$ 有了上界C，它代表着我们对那些离群点的重视程度

三：说一下 $\alpha _{i}$ 取不同值时意义

对比模板

当 svm原理详细推导 $h_{i}(x^{*})=0$ 即 $x^{*}$ 边界点

当 $\theta _{i}^{*}= 0$ 时，对应的 $h_{i}(x^{*})< 0$ 即 $x^{*}$ 非边界点

当 $\alpha _{i}=0$ 时：

由（8）可得： svm原理详细推导 $\left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]\geq 0\Rightarrow y_{i}y(x) \geq 1$

当 $0< \alpha _{i}< C$ 时：

svm原理详细推导 $\begin{pmatrix} \alpha _{i}\left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]=0\\ 0< \alpha _{i}< C \end{pmatrix}\Rightarrow \left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]=0$

最后：

$\begin{pmatrix} y_{i}y(x) =(1-\beta _{i})\\ \beta _{i}=0 \end{pmatrix}\Rightarrow y_{i}y(x) =1$

当 $\alpha _{i}= C$ 时：

$C-\alpha _{i}-\gamma _{i}=0\Rightarrow \gamma _{i}=0$

进而这里还是只能得到 $\beta _{i}\geq 0$ 即 $\begin{matrix} \gamma _{i}=0\\ \gamma _{i}\beta _{i}= 0 \\ \beta _{i} \geq 0\end{matrix}\Rightarrow \beta _{i} \geq 0$

$\left [ y_{i}y(x) -(1-\beta _{i})\right ]\geq 0\Rightarrow y_{i}y(x) \geq (1-\beta _{i})$

最后：

$\begin{pmatrix} y_{i}y(x) \geq (1-\beta _{i})\\ \beta _{i}\geq 0 \end{pmatrix}\Rightarrow y_{i}y(x) \leq 1$

综上所述可以总结为：

$\begin{matrix} \alpha _{i}=0\Leftrightarrow y_{i}y(x)\geq 1\\ 0< \alpha _{i}< C\Leftrightarrow y_{i}y(x)= 1 \\ \alpha _{i}=C\Leftrightarrow y_{i}y(x)\leq 1 \end{matrix}$

在点在两条间隔线外则，对应前面的系数 $\alpha$ 为0，在两条间隔线里面的对应的系数为C，在两条间隔线上的点对应的系数在0和C之间。

通过上面也可以看出，最后求出的所有 $\alpha$ 按理说为0的居多，毕竟大部分数据点应该是在间隔线外的对吧。

所以对应到松弛遍历这里的步骤就是：

1首先根据上面的最优化问题求出一些列的 $\alpha$

2然后求出w和b $\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}\\b=\frac{min_{i:y=1}w^{*}x_{i}+max_{i:y=-1}w^{*}x_{i}}{2}\end{matrix}$

注意这里是随便取一个点i就可以算出b，但是实际中往往取所有点的平均

3得出超平面

注意这里说一下 $\alpha _{i}$ 的意义，由前面基本推导的kkt部分讨论可知：

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核函数：

出现的背景：

对于一些线性不可分的情况，比如一些数据混合在一起，我们可以将数据先映射到高纬，然后在使用svm找到当前高纬度的超平面，进而将数据进行有效的分离，一个直观的例子：

svm原理详细推导

图片来源七月算法

比如原来是：

$y=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}^{*}y_{i}x_{i}x+b$

则现在为：

$\Phi (x)$ 就是映射公式，即先映射到高纬再进行内积

但是问题来了，那就是假设原始数据维度就好高，再进一步映射到高纬，那么最后的维度可能就非常之高，再进行内积等这一系列计算要求太高，很难计算。

因此我们可以令

svm原理详细推导 $x_{i},x$ ,使其结果和映射到高纬再内积效果一样，这就是核函数的威力，大部分是内积，而SVM的奇妙之处就在于所有的运算都可以写成内积的形式，但是这种核函数具体该怎么选取呢？别慌，已经有前辈们帮我们找到了很多核函数，我们直接拿过来用就可以啦。

下面介绍几种常见的吧：更多的大家可以自行查阅：

$K(x_{i},x)=[(x_{i}\cdot x)+1]^{m}$
其实现将低维的输入空间映射到高纬的特征空间，但多项式的阶数也不能太高，否则核矩阵的元素值将趋于无穷大或者无穷小，计算复杂度同样会大到无法计算。而且它还有一个缺点就是超参数过多
(3)径向基高斯（RBF）核函数
$K(x_{i},x)=exp(-\frac{\left \| x_{i}-x \right \|^{2}}{2\delta ^{2}})$
高斯（RBF）核函数核函数性能较好，适用于各种规模的数据点，而且参数要少，因此大多数情况下优先使用高斯核函数。
(4)sigmoid核函数

svm原理详细推导 $\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \\ 0\leq \alpha _{i}\leq C \end{matrix}$

我们求出一些列 $\alpha$ 便可，可是 $\alpha$ 具体怎么求呢？落实到代码上面应该怎么搞呢？下面就来说说这个事情
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SMO算法

现在的问题是：

$\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \\ 0\leq \alpha _{i}\leq C \end{matrix}$

首先要明确我们的目的是求一些列的 $\alpha$ ，其思路也是很简单就是固定一个参数即以此为自变量，然后将其他的变量看成常数，只不过因为这里 $\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0$ 约束条件，所以我们一次取出两个 $\alpha$ 作为自变量进行优化，然后外面就是一个大的循环，不停的取不停的优化，知道达到某个条件（后面介绍）停止优化。

思路框架就是上面这么简单，下面来看一下理论方面的精确推导：

假设我们首先取出了 $\alpha _{1}$ 和 $\alpha _{2}$ ,那么后面的便可以整体视为一个常数即：

$\alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} = -\sum_{i=3}^{m}\alpha _{i}y_{i}\Rightarrow \alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} =\zeta$

先将 $\alpha _{1}$ 用 $\alpha _{2}$ 表示出来，也很简单：

$\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}$

带入到原始优化的目标方程中可得：

$\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}=a\alpha _{2}^{2}+b\alpha _{2}+c$

即关于 $\alpha _{2}$ 的一元二次方程（其中a,b,c都是常数）

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为什么是二元一次方程呢？很简单由原始优化目标可以看出基本单元就是 $\alpha _{i}\alpha _{j}$ ,然后就是组合相加，所以最高次数就是2次，前面还有单次项，后面有常数项，所以最后归结起来就是一个一元二次方程

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好啦，求一元二次方程最值应该很简单啦吧，即：

$\alpha _{2}=-\frac{b}{2a}$

相应的根据 $\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}$ 便可以求出 $\alpha _{1}$

这样就完成啦一对 $\alpha$ 值的优化，接着找下一对 $\alpha$ 值就行优化即可

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介绍到这里也许会发现还有一个约束条件没有用即：

$0\leq \alpha _{i}\leq C$

是的我们在算 $\alpha _{1}$ $\alpha _{2}$ 的时候，最后还应该加一步就是将其值约束到[0,C]

回到：

$\alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} =\zeta$

我们分类讨论：

（1）当 $y_{1}$ 和 $y_{2}$ 是同号时：

则是一个斜率为-1的直线即 $\alpha _{1}+\alpha _{2}=\$$

那么可以画出如下图。横坐标是 $\alpha _{1}$ ，纵坐标是 $\alpha _{2}$ ，可以看到直线有如下两种情况

svm原理详细推导

现在要保证范围，即 $\alpha _{2}$ 的最大值在两种情况下分别是 $\$$ 和C，最小值分别是 svm原理详细推导0 和 $\$ -C$

所以最后综合一下即

$\begin{matrix} L=max(0,\$ -C)=max(0,\alpha _{1}+\alpha _{2}-C)\\ H=min(\$ ,C)=min(\alpha _{1}+\alpha _{2},C)\, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \end{matrix}$

（2）当当 $y_{1}$ 和 $y_{2}$ 是异号时：

则是一个斜率为1的直线即 $\alpha _{1}-\alpha _{2}=\$$

那么可以画出如下图。横坐标是 $\alpha _{1}$ ，纵坐标是 $\alpha _{2}$ ，可以看到直线有如下两种情况

svm原理详细推导

现在要保证范围，即 $\alpha _{2}$ 的最大值在两种情况下分别是 $C-\$$ 和C，最小值分别是 svm原理详细推导0 和 $-\$$

所以最后综合一下即

$\begin{matrix} L=max(0,-\$ )=max(0,\alpha _{2}-\alpha _{1})\\ H=min(C-\$ ,C)=min(C-\alpha _{1}+\alpha _{2},C) \end{matrix}$

所以在我们通过一元二次方程求得的 $\alpha _{2}$ 并不是最终的 $\alpha _{2}$ 而是经过以下：

svm原理详细推导 $\alpha _{1},\alpha _{2}$ 都在边界（值等于0或者C）则不用对这一对 $\alpha$ 进行优化啦，因为他们已经在边界啦，因此不再能够减少或者增大（其值太大会被强行赋值为H，同理太小为L），因此也就不值得再对他们进行优化啦，直接跳过寻找下一对需要优化的 $\alpha$ 对即可

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好的我们接着往下走，刚才说得到一个一元二次方程组那么系数a,b,c是多少呢？我们来求一下：

我们先将 $\alpha _{1}$ 和 $\alpha _{2}$ 带入：

公式太多就不用编辑器啦，字迹有点潦草==

svm原理详细推导

现在我们进一步化简一下 $v_{i}$ :

svm原理详细推导

我们将本次要优化的参数标为*即规范一下就是：

svm原理详细推导

相对应 $v_{i}$ 中的 $\alpha$ 没有*就代表使用上次结果的 $\alpha$

好啦接下来要做的就像上面说的用 $\alpha _{2}$ 表达式代替 $\alpha _{1}$ ，然后求导为0

svm原理详细推导

最后我们要的结果就是红框的部分（其中 $s=y_{1}y_{2}$ ）

将w，v都带入便得到：

svm原理详细推导

注意这里的 $\theta$ 其实可以看成下角标1和2的平方差 $\left ( a-b \right )^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\geq 0$

因为下面 $\theta$ 又在分母不能为0，所以一般当 svm原理详细推导 $\alpha$ 对

关于b的更新需要根据 $\alpha$ 的取值来进行判断：

svm原理详细推导

好啦，最最最最最最重要的一张图来啦，也是我们上面花了这么多力气得出的结果，也是我们最终程序设计的蓝图：

svm原理详细推导

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最后小结理一下思路：

求解过程：

首先我们要优化的问题是：

$min_{w,b,\beta } \, (\frac{1}{2}\left | w \right |^{2}+C\sum_{i=1}^{m}\beta_{i}) \\ s.t \, \, \, y_{i}(w^{T}x_{i}+b)\geqslant 1-\beta _{i}\\\beta _{i}\geq 0$

然后利用拉格朗日对偶问题将问题转化为：

接着我们使用了SMO算法求解出了一系列 $\alpha$ 进而得到了W和b的更新

核函数：

将 $x_{i}x$ 换成相应核函数的内积形式 svm原理详细推导

发布者：全栈程序员-站长，转载请注明出处：https://javaforall.net/207777.html原文链接：https://javaforall.net

svm原理详细推导

笔者在查阅了大量资料和阅读大佬的讲解之后，终于对svm有了比较深一点的认识，先将理解的推导过程分享如下：

基本推导

svm原理并不难理解，其可以归结为一句话，就是最大化离超平面最近点（支持向量）到该平面的距离。

如下图

开门见山就是下面的最值优化问题：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="max_{w,b}(min_{x_{i}} \,\frac{y_{i}(w^{T}x_{i}+b)}{\left | w \right |} )" />

注意

这里涉及到求两个最值问题，比较棘手，正如上面所说，几何距离不受成倍增加的影响，这里不妨就将最近点到超平面的函数距离设为1，自然其他非最近点的函数距离便是大于1，于是以上问题转化为：

这是一个在有不等式约束下，最小值优化的问题，这里可以使用kkt条件

对应到SVM的拉格朗日函数便是：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\iota (w,b,\alpha )=\frac{1}{2}\left | w \right |^{2}{\color{Red} -}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}\left [ y_{i}(w^{T}x_{i}+b)-1 \right ]" />

于是问题转化为：

根据对偶转化：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="max_{\alpha } \, \, (min_{w,b }(\iota (w,b,\alpha )))" />

好啦，这里没什么说的就是根据kkt条件求偏导令其为0：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\begin{matrix} \frac{\partial \iota (w,b,\alpha )}{\partial w}=w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}=0\\\frac{\partial\iota (w,b,\alpha) }{\partial b}=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0\end{matrix}" />

于是就得到：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}\\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}" />

将上述两公式带入到<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\iota (w,b,\alpha )" />如下：

于是问题转化为：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \alpha _{i}\geqslant 0 \\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}" />

所以最后就得出这样的步骤：

1首先根据上面的最优化问题求出一些列的<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha" />

2然后求出w和b<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}\\b=\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})\end{matrix}" />

所以当一个样本进来的时候即值便是：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="y=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x+\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})" />

3根据如下进行分类：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="sign(y)" />

松弛因子

数学化后的约束条件即变为：

接下来还是使用上面拉格朗日对偶问题进行求解，这里就不详细说明了，直接给出过程：

求导令其为0：

将其带入最终问题可得：

对应的kkt条件为：

一：对比最开始的kkt条件模板

二：可以将kkt中部分条件进行总结归纳：（6）（7）（8）三个条件：

所以可以总结为：

三：说一下<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{i}" />取不同值时意义

当<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{i}=0" />时：

当<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="0< \alpha _{i}< C" />时：

当<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{i}= C" />时：

综上所述可以总结为：

所以对应到松弛遍历这里的步骤就是：

核函数：

出现的背景：

对于一些线性不可分的情况，比如一些数据混合在一起，我们可以将数据先映射到高纬，然后在使用svm找到当前高纬度的超平面，进而将数据进行有效的分离，一个直观的例子：

比如原来是：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="y=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}^{*}y_{i}x_{i}x+b" />

则现在为：

但是问题来了，那就是假设原始数据维度就好高，再进一步映射到高纬，那么最后的维度可能就非常之高，再进行内积等这一系列计算要求太高，很难计算。

因此我们可以令

下面介绍几种常见的吧：更多的大家可以自行查阅：

SMO算法

现在的问题是：

思路框架就是上面这么简单，下面来看一下理论方面的精确推导：

假设我们首先取出了<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}" />和<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}" />,那么后面的便可以整体视为一个常数即：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} = -\sum_{i=3}^{m}\alpha _{i}y_{i}\Rightarrow \alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} =\zeta" />

先将<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}" />用<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}" />表示出来，也很简单：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}" />

带入到原始优化的目标方程中可得：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}=a\alpha _{2}^{2}+b\alpha _{2}+c" />

即关于<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}" />的一元二次方程（其中a,b,c都是常数）

好啦，求一元二次方程最值应该很简单啦吧，即：

<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}=-\frac{b}{2a}" />

相应的根据<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}" />便可以求出<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}" />

这样就完成啦一对<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha" />值的优化，接着找下一对<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha" />值就行优化即可

好的我们接着往下走，刚才说得到一个一元二次方程组那么系数a,b,c是多少呢？我们来求一下：

我们先将<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}" />和<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}" />带入：

公式太多就不用编辑器啦，字迹有点潦草==

现在我们进一步化简一下<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="v_{i}" />:

好啦接下来要做的就像上面说的用<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{2}" />表达式代替<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha _{1}" />，然后求导为0

最后我们要的结果就是红框的部分（其中<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="s=y_{1}y_{2}" />）

将w，v都带入便得到：

关于b的更新需要根据<img decoding="async" src="https://private.codecogs.com/gif.latex" title="" alt="\alpha" />的取值来进行判断：

好啦，最最最最最最重要的一张图来啦，也是我们上面花了这么多力气得出的结果，也是我们最终程序设计的蓝图：

最后小结理一下思路：

求解过程：

核函数：

关于作者

$max_{w,b}(min_{x_{i}} \,\frac{y_{i}(w^{T}x_{i}+b)}{\left | w \right |} )$

$\iota (w,b,\alpha )=\frac{1}{2}\left | w \right |^{2}{\color{Red} -}\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}\left [ y_{i}(w^{T}x_{i}+b)-1 \right ]$

$max_{\alpha } \, \, (min_{w,b }(\iota (w,b,\alpha )))$

$\begin{matrix} \frac{\partial \iota (w,b,\alpha )}{\partial w}=w-\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}=0\\\frac{\partial\iota (w,b,\alpha) }{\partial b}=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0\end{matrix}$

$\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}x_{i}\\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}$

将上述两公式带入到 $\iota (w,b,\alpha )$ 如下：

$\begin{matrix} max_{\alpha }\, \, \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}\\ s.t. \, \, \alpha _{i}\geqslant 0 \\ \sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}y_{i}=0 \end{matrix}$

1首先根据上面的最优化问题求出一些列的 $\alpha$

2然后求出w和b $\begin{matrix} w=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}\\b=\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})\end{matrix}$

$y=\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x+\frac{1}{m}\sum_{j=1}^{m}(y_{j} -\sum_{i=1}^{m}\alpha_{i} y_{i}x_{i}x_{j})$

三：说一下 $\alpha _{i}$ 取不同值时意义

当 $\alpha _{i}=0$ 时：

当 $0< \alpha _{i}< C$ 时：

当 $\alpha _{i}= C$ 时：

$y=\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}^{*}y_{i}x_{i}x+b$

假设我们首先取出了 $\alpha _{1}$ 和 $\alpha _{2}$ ,那么后面的便可以整体视为一个常数即：

$\alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} = -\sum_{i=3}^{m}\alpha _{i}y_{i}\Rightarrow \alpha _{1}y_{1}+\alpha _{2}y_{2} =\zeta$

先将 $\alpha _{1}$ 用 $\alpha _{2}$ 表示出来，也很简单：

$\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}$

$\sum_{i=1}^{m}\alpha _{i}-\frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^{m}\alpha _{i}\alpha _{j}y_{i}y_{j}x_{i}x_{j}=a\alpha _{2}^{2}+b\alpha _{2}+c$

即关于 $\alpha _{2}$ 的一元二次方程（其中a,b,c都是常数）

$\alpha _{2}=-\frac{b}{2a}$

相应的根据 $\alpha _{1}=(\zeta-\alpha _{2}y_{2})y_{1}$ 便可以求出 $\alpha _{1}$

这样就完成啦一对 $\alpha$ 值的优化，接着找下一对 $\alpha$ 值就行优化即可

我们先将 $\alpha _{1}$ 和 $\alpha _{2}$ 带入：

现在我们进一步化简一下 $v_{i}$ :

好啦接下来要做的就像上面说的用 $\alpha _{2}$ 表达式代替 $\alpha _{1}$ ，然后求导为0

最后我们要的结果就是红框的部分（其中 $s=y_{1}y_{2}$ ）

关于b的更新需要根据 $\alpha$ 的取值来进行判断：