从SVM中获取支持向量

柔光的暖阳◎ 2022-01-31 14:23 216阅读 0赞

### 1.KKT条件（不等式约束条件） ###

设目标函数f(x)，不等式约束为g(x)，等式约束条件h(x)。此时的约束优化问题描述如下：

![Center][]

则我们定义不等式约束下的拉格朗日函数L，则L表达式为：

![Center 1][]

其中f(x)是原目标函数，hj(x)是第j个等式约束条件，λj是对应的约束系数，gk是不等式约束，uk是对应的约束系数。0

此时若要求解上述优化问题，必须满足下述条件（也是我们的求解条件）：

![Center 2][]

这些求解条件就是KKT条件。(1)是对拉格朗日函数取极值时候带来的一个必要条件，(2)是拉格朗日系数约束（同等式情况），(3)是不等式约束情况，(4)是互补松弛条件，(5)、(6)是原约束条件。

> 对于一般的任意问题而言，KKT条件是使一组解成为最优解的必要条件，当原问题是凸问题的时候，KKT条件也是充分条件。

关于条件(3)，后面一篇博客中给出的解释是：我们构造L(x,λ,u)函数，是希望L(x,λ,u)<=f(x)的（min表示求最小值）。在L(x,λ,u)表达式中第二项为0，若使得第三项小于等于0就必须使得系数u>=0，这也就是条件(3)。

关于条件(4),直观的解释可以这么看:要求得L(x,λ,u)的最小值一定是三个公式项中取得最小值，此时第三项最小就是等于0值的时候。稍微正式一点的解释，是由松弛变量推导而来。

为方便表示，举个简单的例子：

现有如下不等式约束优化问题：

![Center 3][]

此时引入松弛变量可以将不等式约束变成等式约束。设a1和b1为两个松弛变量，则上述的不等式约束可写为：

![Center 4][]

则该问题的拉格朗日函数为：

![Center 5][]

根据拉格朗日乘子法，求解方程组：

![Center 6][]

则

![Center 7][]

同样 u2b1=0，来分析g2(x)起作用和不起作用约束。

> 于是推出条件：SVM就是据此条件推出支持向量的，支持向量和超平面有相同的W， b

![Center 8][]  
  
[原文链接：][Link 1]

### 2.线性可分，硬间隔的支持向量 ###

> **根据KKT条件中的对偶互补条件 ![\\alpha\_\{i\}^\{\*\}(y\_i(w^Tx\_i + b) - 1) = 0][alpha_i_y_i_w_Tx_i _ b_ - 1_ _ 0]**
> 
> **如果 ![\\alpha\_i>0][alpha_i_0] 则有![y\_i(w^Tx\_i + b) = 1][y_i_w_Tx_i _ b_ _ 1] 即点在支持向量上**
> 
> **如果![\\alpha\_i = 0][alpha_i _ 0] 则有![y\_i(w^Tx\_i + b) \\geq 1][y_i_w_Tx_i _ b_ _geq 1]， 即样本在支持向量上 或者 已经被正确分类。**

### 3.非线性可分，软间隔 ###

> **根据KKT条件中的对偶互补条件 ![\\alpha\_\{i\}^\{\*\}(y\_i(w^Tx\_i + b) - 1 + \\xi\_i^\{\*\}) = 0][alpha_i_y_i_w_Tx_i _ b_ - 1 _ _xi_i_ _ 0]**
> 
> **　a) 如果![\\alpha\_i = 0][alpha_i _ 0],那么 ![y\_i(w^Tx\_i + b) \\geq 1][y_i_w_Tx_i _ b_ _geq 1] , 即样本在间隔边界上 或者 已经被正确分类。如图中所有远离间隔边界的点。**
> 
>  **b) 如果![0< \\alpha < C][0_ _alpha _ C] , ![\\xi\_i = 0][xi_i _ 0] 那么 ![y\_i(w^Tx\_i + b) = 1][y_i_w_Tx_i _ b_ _ 1] ,即点在间隔边界上。**
> 
>  **c) 如果![\\alpha = C][alpha _ C]，说明这是一个可能比较异常的点，需要检查 ![\\xi\_i][xi_i]**
> 
> **　　　　　　i)如果![0 \\leq \\xi\_i < 1][0 _leq _xi_i _ 1], 则有 ![y\_i(w^Tx\_i + b) > 0][y_i_w_Tx_i _ b_ _ 0] ，大于0但是小于1 ， 那么点被正确分类，但是却在超平面和自己类别的间隔边界之间。如图中的样本 （2 和 4）**
> 
> **　　　　　　ii)如果 ![\\xi\_i = 1][xi_i _ 1] , 则有 ![y\_i(w^Tx\_i + b) = 0][y_i_w_Tx_i _ b_ _ 0 1] 那么点在分离超平面上，无法被正确分类。**
> 
> **　　　　　　iii)如果![\\xi\_i > 1][xi_i _ 1 1] , 则有 ![y\_i(w^Tx\_i + b) < 0][y_i_w_Tx_i _ b_ _ 0 2] 那么点在超平面的另一侧，也就是说，这个点不能被正常分类。如图中的样本 1 和 3 . 分类错误**

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**参考：[https://www.cnblogs.com/pinard/p/6100722.html][https_www.cnblogs.com_pinard_p_6100722.html]**

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/johnnyconstantine/article/details/46335763%C2%A0
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