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机器学习_15 支持向量机知识点总结

article 2025/2/23 3:42:57

支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是一种强大的监督学习算法，广泛应用于分类和回归任务。SVM的核心思想是通过寻找最优超平面来最大化不同类别数据点之间的间隔，从而实现分类或回归。今天，我们就来深入探讨支持向量机的原理、实现和应用。

一、支持向量机的基本概念

1.1 SVM的用途

支持向量机主要用于解决以下两类问题：

分类问题：通过找到一个超平面，将数据点分为不同的类别。
回归问题：通过找到一个超平面，预测连续数值目标变量。

1.2 SVM的基本原理

线性SVM：在二分类问题中，SVM的目标是找到一个超平面，使得不同类别的数据点之间的间隔最大化。超平面的方程可以表示为：
w⋅x+b=0
其中，w 是法向量，b 是偏置项，x 是输入特征向量。
支持向量：距离超平面最近的数据点称为支持向量。这些点定义了分类间隔。
间隔最大化：SVM通过最大化支持向量与超平面之间的间隔来提高模型的泛化能力。间隔的计算公式为：
Margin=2/∥w∥

1.3 核函数的作用

对于非线性可分的数据，SVM通过核函数将数据映射到高维空间，使其在高维空间中线性可分。常见的核函数包括：

线性核：适用于线性可分的数据。
多项式核：适用于非线性关系。
径向基函数（RBF）核：适用于复杂的数据分布。
Sigmoid核：类似于神经网络中的激活函数。

二、支持向量机的实现与案例

2.1 Python实现

以下是使用Python和Scikit-Learn库实现SVM分类的代码示例：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 加载鸢尾花数据集
iris = datasets.load_iris()
X = iris.data[:, :2]  # 仅使用前两个特征以便可视化
y = iris.target

# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)

# 创建SVM分类器
svm_model = SVC(kernel='linear')  # 使用线性核

# 训练模型
svm_model.fit(X_train, y_train)

# 预测测试集
y_pred = svm_model.predict(X_test)

# 评估模型性能
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print("准确率:", accuracy)

# 可视化决策边界
def plot_decision_boundary(model, X, y):
    h = 0.02
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
    Z = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    plt.contourf(xx, yy,, Z alpha=0.8)
    plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, edgecolors='k')
    plt.xlabel('Feature 1')
    plt.ylabel('Feature 2')
    plt.title('SVM Decision Boundary')
    plt.show()

plot_decision_boundary(svm_model, X_test, y_test)

2.2 案例分析

假设我们有一组数据，记录了患者的症状和是否患有某种疾病。我们希望通过SVM模型预测患者是否患病。

数据准备：收集患者的症状等特征，以及是否患病的标签。
模型训练：使用SVM分类器拟合数据，选择合适的核函数（如线性核、RBF核）。
模型评估：通过准确率、召回率等指标评估模型性能。
预测应用：根据模型预测新患者的患病概率，为医疗诊断提供参考。

三、支持向量机的优化与超参数选择

3.1 超参数选择

SVM的性能受到多个超参数的影响，常见的超参数包括：

正则化参数（C）：控制模型对误分类的惩罚程度。较大的C值会使模型更严格地分类，但可能导致过拟合。
核函数（kernel）：选择合适的核函数来处理数据的非线性关系。
核函数参数（如gamma）：对于RBF核，gamma控制核函数的宽度。较大的gamma值会使模型更复杂，但可能导致过拟合。

3.2 优化方法

网格搜索（Grid Search）：通过遍历超参数的组合，找到最优的超参数配置。
交叉验证（Cross-Validation）：通过交叉验证评估模型的泛化能力，避免过拟合。

四、支持向量机的多类别分类

4.1 多类别分类方法

SVM主要用于二分类问题，但可以通过以下方法扩展到多类别分类：

一对一（One-vs-One）：为每对类别训练一个SVM模型，最终通过投票决定类别。
一对多（One-vs-Rest）：为每个类别训练一个SVM模型，将该类别与其他所有类别区分开来。

4.2 多类别分类的实现

以下是使用Scikit-Learn实现多类别分类的代码示例：

from sklearn.multiclass import OneVsRestClassifier, OneVsOneClassifier

# 使用一对一策略
ovo_model = OneVsOneClassifier(SVC(kernel='linear'))
ovo_model.fit(X_train, y_train)
accuracy_ovo = ovo_model.score(X_test, y_test)
print("准确率（一对一）:", accuracy_ovo)

# 使用一对多策略
ova_model = OneVsRestClassifier(SVC(kernel='linear'))
ova_model.fit(X_train, y_train)
accuracy_ova = ova_model.score(X_test, y_test)
print("准确率（一对多）:", accuracy_ova)