支持向量机的求解过程

一、支持向量机的求解过程

个人理解：下文所有下标i、j均可相互替换，c和C表示同一常数。

支持向量机的对偶问题为： 最大化：θ(α,β)=∑αi-1/2∑∑yiyjαiαjφ(Xi)Tφ(Xj)；

限制条件：（1）0≤αi≤C，i=1~N；（2）∑αiyi=0，i=1~N。

因为φ(Xi)Tφ(Xj)=K(Xi,Xj)（K(Xi,Xj)为核函数，详见），所以只需知道核函数K(Xi,Xj)即可求解该对偶问题。该对偶问题解的结构为一组αi的值（个人理解：αi的值同时也为αj的值），其中i=1~N。

解得αi的值后可根据ω=∑αiyiφ(Xi)求解ω的值（支持向量机问题需解得超平面ωTφ(X)+b=0中的ω和b的值），但因为φ(Xi)不一定具有显式表达式，所以ω不一定具有显式表达式。

虽然ω不一定具有显式表达式，但ωTφ(X)+b的形式可以通过核函数K(X1,X2)求得，下文介绍具体求解过程：

因为ω=∑αjyjφ(Xj)，所以ωTφ(Xj)=∑αjyjφ(Xj)Tφ(Xi)=∑αjyjK(Xj,Xi)。

根据KKT条件（KKT条件见机器学习相关介绍（12）——支持向量机（原问题和对偶问题）），且持向量机的对偶问题的另一个形式为： 最大化：θ(α,β)=inf{1/2||ω||2-C∑βiδi+∑αi[1+δi-yiωTφ(Xi)-yib]}； 限制条件：（1）αi≥0，i=1~N；（2）βi≥0，i=1~N。

可得：对所有的i=1~N，βiδi=0且αi[1+δi-yiωTφ(Xi)-yib]=0。

根据βiδi=0可得(c-αi)δi=0（个人理解：此步骤也需根据机器学习相关介绍（13）——支持向量机（转化为对偶问题）中求偏导得出的等式αi+βi=C）

若对某个i，αi≠0且αi≠c，则根据KKT条件，则有δi=0且1+δi-yiωTφ(Xi)-yib=0。

又因为yiωTφ(Xi)=∑αiyjyiK(Xj,Xi)，所以只需使用一个满足0＜αi＜c的αi值，即可通过下式求得b： b=(1-∑αjyjyiK(Xj,Xi))/yi

综上，ωTφ(X)+b=∑αiyiK(Xi,X)+b，即在不知道φ(X)，只知道K(X1,X2)的情况下，ωTφ(X)+b的表达式也可被求出。该结论被称为“核函数戏法”（KERNEL TRICK）。

最终，支持向量机的判别标准为： 若∑αiyiK(Xi,X)+b≥0，则X∈C1； 若∑αiyiK(Xi,X)+b＜0，则X∈C2。

二、支持向量机的算法流程

（1）训练过程

输入训练数据{(Xi,yi)}，i=1~N，其中，yi=±1。并求解： 最大化：θ(α,β)=∑αi-1/2∑∑yiyjαiαjφ(Xi)Tφ(Xj)；

限制条件：

（1）0≤αi≤C，i=1~N；（2）∑αiyi=0，i=1~N。

得出一组αi的值，再通过一个满足0＜αi＜c的αi值，根据下式求b： b=(1-∑αjyjyiK(Xj,Xi))/yi

求解出αi和b后，支持向量机的训练过程完成。

（2）测试过程

考察测试数据X，预测其类别y： 若∑αiyiK(Xi,X)+b≥0，则y=+1（X∈C1）； 若∑αiyiK(Xi,X)+b＜0，则y=-1（X∈C2）。

审核编辑：刘清