序列最小优化算法实现(Sequential Minimal Op

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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 $\lambda_{a}$ 与 $\lambda_{b}$ 为参数，其他 $\lambda$ 为常数，那么优化问题可以写成：

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

去除无关常量，简化后的优化目标可以写成：

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

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 $\lambda_{b}$ 的优化公式为：

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

然后再看优化问题中的约束条件 $\lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=-\sum\limits_{i{\ne}a,b}\lambda_{i}y^{i}$ ，由于只有 $\lambda_{a}$ 与 $\lambda_{b}$ 是参数，那么该优化条件还可以写成： $\lambda_{a}y^{a}+\lambda_{b}y^{b}=\xi$ 。而 $y^{a}$ 与 $y^{b}$ 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：

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

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

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

而 $\lambda_{a}$ 的优化公式为：

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

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

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

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

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

实现指导

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优化策略

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