线性模型 - SVMs(支持向量机)

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2023-12-01

1 介绍

线性支持向量机是一个用于大规模分类任务的标准方法。它的目标函数线性模型中的公式（1）。它的损失函数是合页（hinge）损失，如下所示

默认情况下，线性支持向量机训练时使用L2正则化。线性支持向量机输出一个SVM模型。给定一个新的数据点x，模型通过w^Tx的值预测，当这个值大于0时，输出为正，否则输出为负。

线性支持向量机并不需要核函数，要详细了解支持向量机，请参考文献【1】。

2 源码分析

2.1 实例

import org.apache.spark.mllib.classification.{SVMModel, SVMWithSGD}
import org.apache.spark.mllib.evaluation.BinaryClassificationMetrics
import org.apache.spark.mllib.util.MLUtils
// Load training data in LIBSVM format.
val data = MLUtils.loadLibSVMFile(sc, "data/mllib/sample_libsvm_data.txt")
// Split data into training (60%) and test (40%).
val splits = data.randomSplit(Array(0.6, 0.4), seed = 11L)
val training = splits(0).cache()
val test = splits(1)
// Run training algorithm to build the model
val numIterations = 100
val model = SVMWithSGD.train(training, numIterations)
// Clear the default threshold.
model.clearThreshold()
// Compute raw scores on the test set.
val scoreAndLabels = test.map { point =>
  val score = model.predict(point.features)
  (score, point.label)
}
// Get evaluation metrics.
val metrics = new BinaryClassificationMetrics(scoreAndLabels)
val auROC = metrics.areaUnderROC()
println("Area under ROC = " + auROC)

2.2 训练

和逻辑回归一样，训练过程均使用GeneralizedLinearModel中的run训练，只是训练使用的Gradient和Updater不同。在线性支持向量机中，使用HingeGradient计算梯度，使用SquaredL2Updater进行更新。
它的实现过程分为4步。参加逻辑回归了解这五步的详细情况。我们只需要了解HingeGradient和SquaredL2Updater的实现。

class HingeGradient extends Gradient {
  override def compute(data: Vector, label: Double, weights: Vector): (Vector, Double) = {
    val dotProduct = dot(data, weights)
    // 我们的损失函数是 max(0, 1 - (2y - 1) (f_w(x)))
    // 所以梯度是 -(2y - 1)*x
    val labelScaled = 2 * label - 1.0
    if (1.0 > labelScaled * dotProduct) {
      val gradient = data.copy
      scal(-labelScaled, gradient)
      (gradient, 1.0 - labelScaled * dotProduct)
    } else {
      (Vectors.sparse(weights.size, Array.empty, Array.empty), 0.0)
    }
  }
  override def compute(
      data: Vector,
      label: Double,
      weights: Vector,
      cumGradient: Vector): Double = {
    val dotProduct = dot(data, weights)
    // 我们的损失函数是 max(0, 1 - (2y - 1) (f_w(x)))
    // 所以梯度是 -(2y - 1)*x
    val labelScaled = 2 * label - 1.0
    if (1.0 > labelScaled * dotProduct) {
      //cumGradient -= labelScaled * data
      axpy(-labelScaled, data, cumGradient)
      //损失值
      1.0 - labelScaled * dotProduct
    } else {
      0.0
    }
  }
}

线性支持向量机的训练使用L2正则化方法。

class SquaredL2Updater extends Updater {
  override def compute(
      weightsOld: Vector,
      gradient: Vector,
      stepSize: Double,
      iter: Int,
      regParam: Double): (Vector, Double) = {
    // w' = w - thisIterStepSize * (gradient + regParam * w)
    // w' = (1 - thisIterStepSize * regParam) * w - thisIterStepSize * gradient
    //表示步长，即负梯度方向的大小
    val thisIterStepSize = stepSize / math.sqrt(iter)
    val brzWeights: BV[Double] = weightsOld.toBreeze.toDenseVector
    //正则化，brzWeights每行数据均乘以(1.0 - thisIterStepSize * regParam)
    brzWeights :*= (1.0 - thisIterStepSize * regParam)
    //y += x * a，即brzWeights -= gradient * thisInterStepSize
    brzAxpy(-thisIterStepSize, gradient.toBreeze, brzWeights)
    //正则化||w||_2
    val norm = brzNorm(brzWeights, 2.0)
    (Vectors.fromBreeze(brzWeights), 0.5 * regParam * norm * norm)
  }
}

该函数的实现规则是：

w' = w - thisIterStepSize * (gradient + regParam * w)
w' = (1 - thisIterStepSize * regParam) * w - thisIterStepSize * gradient

这里thisIterStepSize表示参数沿负梯度方向改变的速率，它随着迭代次数的增多而减小。

2.3 预测

override protected def predictPoint(
      dataMatrix: Vector,
      weightMatrix: Vector,
      intercept: Double) = {
    //w^Tx
    val margin = weightMatrix.toBreeze.dot(dataMatrix.toBreeze) + intercept
    threshold match {
      case Some(t) => if (margin > t) 1.0 else 0.0
      case None => margin
    }
  }

参考文献

【1】支持向量机通俗导论（理解SVM的三层境界）