Python机器学习之支持向量机 Python机器学习之支持向量机

引言 SVM的基本概念
分隔超平面：将数据集分割开来的直线叫做分隔超平面。
超平面：如果数据集是N维的，那么就需要N-1维的某对象来对数据进行分割。该对象叫做超平面，也就是分类的决策边界。
间隔：一个点到分割面的距离，称为点相对于分割面的距离。
数据集中所有的点到分割面的最小间隔的2倍，称为分类器或数据集的间隔。
最大间隔：SVM分类器是要找最大的数据集间隔。
支持向量：坐落在数据边际的两边超平面上的点被称为支持向量
一、支持向量机的直观理解

import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn import svm from sklearn.datasets import make_blobs#创建50个点，分为两类 X, y = make_blobs(n_samples=50, centers=2, random_state=6)#创建一个线性内核的支持向量机 svm1 = svm.SVC(kernel='linear', C=1000) svm1.fit(X, y)#把数据点画出来 plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, s=30, cmap=plt.cm.Paired)#建立图像坐标 ax = plt.gca() xlim = ax.get_xlim() #返回坐标的上下限 ylim = ax.get_ylim()#生成两个等差数列 xx = np.linspace(xlim[0], xlim[1], 30) yy = np.linspace(ylim[0], ylim[1], 30) XX, YY = np.meshgrid(xx, yy) xy = np.vstack([XX.ravel(), YY.ravel()]).T Z = svm1.decision_function(xy).reshape(XX.shape) #计算样本点到分割超平面的函数距离#把分类的决定边界画出来 ax.contour(XX, YY, Z, colors='k', levels=[-1, 0, 1], alpha=0.5, linestyles=['--', '-', '--']) #画出等高线图 ax.scatter(svm1.support_vectors_[:, 0], svm1.support_vectors_[:, 1], s=100, linewidth=1, facecolors='none') #support_vectors_ 所有的支持向量 plt.show()

如图所示，分类器两侧有两条虚线，压在虚线上的点，就是支持向量。本例子采用的方法是“最大间隔超平面”，指的是说中间这条实线（在高维数据中是一个超平面），和所有支持向量之间的距离，都是最大的。

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7.1SVM_linear.png 修改SVM 的内核，换成RBF，即修改以下代码：

#创建一个线性内核的支持向量机 svm1 = svm.SVC(kernel='rbf', C=1000) svm1.fit(X, y)

如图所示，

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7.1SVM_rbf.png 注释1：

函数原型：matplotlib.pyplot.gca()
获得当前的Axes对象ax
参考：
《python matplotlib.pyplot.gca() 函数的作用（获得当前的Axes对象【Get Current Axes】）》
《matplotlib绘图——再谈axes和pyplot方法》
注释2：
函数原型：sklearn.svm.svc(C=1.0, kernel='rbf', degree=3, gamma='auto',
coef0=0.0, shrinking=True, probability=False,
tol=1e-3, cache_size=200, class_weight=None,
verbose=False, max_iter=-1, decision_function_shape='ovr', random_state=None)
参数解释：
?C: float参数默认值为1.0.
错误项的惩罚系数。C越大，即对分错样本的惩罚程度越大，因此在训练样本中准确率越高，但是泛化能力降低，也就是对测试数据的分类准确率降低。相反，减小C的话，容许训练样本中有一些误分类错误样本，泛化能力强。对于训练样本带有噪声的情况，一般采用后者，把训练样本集中错误分类的样本作为噪声。
?kernel: str参数默认为‘rbf’.算法中采用的核函数类型，可选参数有：
??‘linear’:线性核函数
‘??poly’：多项式核函数
??‘rbf’：径像核函数/高斯核
??‘sigmoid’:sigmod核函数
??‘precomputed’:核矩阵.precomputed表示自己提前计算好核函数矩阵，这时候算法内部就不再用核函数去计算核矩阵，而是直接用你给的核矩阵。
??还有一点需要说明，除了上面限定的核函数外，还可以给出自己定义的核函数，其实内部就是用你自己定义的核函数来计算核矩阵。
?degree: int型参数默认为3.这个参数只对多项式核函数有用，是指多项式核函数的阶数n
如果给的核函数参数是其他核函数，则会自动忽略该参数。
?gamma: float参数默认为auto.核函数系数，只对‘rbf’,‘poly’,‘sigmod’有效。
如果gamma为auto，代表其值为样本特征数的倒数，即1/n_features.
?coef0: float参数默认为0.0.核函数中的独立项，只有对‘poly’和‘sigmod’核函数有用，是指其中的参数c
?probability： bool参数默认为False.是否启用概率估计。这必须在调用fit()之前启用，并且会fit()方法速度变慢。
?shrinking： bool参数默认为True.是否采用启发式收缩方式
?tol: float参数默认为1e^-3.svm停止训练的误差精度
?cache_size： float参数默认为200.指定训练所需要的内存，以MB为单位，默认为200MB。
?class_weight：字典类型或者‘balance’字符串。默认为None.给每个类别分别设置不同的惩罚参数C，如果没有给，则会给所有类别都给C=1，即前面参数指出的参数C.如果给定参数‘balance’，则使用y的值自动调整与输入数据中的类频率成反比的权重。
?verbose： bool参数默认为False.是否启用详细输出。此设置利用libsvm中的每个进程运行时设置，如果启用，可能无法在多线程上下文中正常工作。一般情况都设为False，不用管它。
?max_iter: int参数默认为-1.最大迭代次数，如果为-1，表示不限制.
?random_state： int型参数默认为None.伪随机数发生器的种子,在混洗数据时用于概率估计。
属性：
?svc.n_support_：各类各有多少个支持向量
?svc.support_：各类的支持向量在训练样本中的索引
?svc.support_vectors_：各类所有的支持向量
参考：《SVM基本概要与sklearn.svm.svc 参数说明》
注释3：
[《Python+Matplotlib画contour图》]（https://finthon.com/python-matplotlib-contour/）

二、不同核函数的SVM对比说明：linearSVM是一种使用了线性内核的SVM算法，不过linearSVM不支持对核函数进行修改。
使用dataset的红酒数据

#对比不同的SVM from sklearn.datasets import load_wine import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn import svm#定义画图函数 def make_meshgrid(x, y, h= .02): x_min, x_max = x.min() - 1, x.max() - 1 y_min, y_max = y.min() - 1, y.max() - 1 xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h)) return xx, yy#定义绘制等高线的函数 def plot_countours(ax, clf, xx, yy, **params): Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()]) Z = Z.reshape(xx.shape) out = ax.contourf(xx, yy, Z, **params) return out#导入红酒数据 wine = load_wine() #选取前两个特征 X = wine.data[:, :2] y = wine.targetC = 1.0 #SVM正则化参数 models = (svm.SVC(kernel='linear', C=C), svm.LinearSVC(C=C), svm.SVC(kernel='rbf', gamma=0.7, C=C), svm.SVC(kernel='poly', degree=3, C=C))models = (clf.fit(X, y) for clf in models)#设置图题 titles = ('SVC with linear kernel', 'LinearSVC(linear kernal)', 'SVC with RBF kernal', 'SVC with polynomial(degree 3) kernal')#设定子图形的个数和排列方式 fig, sub = plt.subplots(2, 2) plt.subplots_adjust(wspace=0.4, hspace=0.4) #wspace, hspace：子图之间的横向间距、纵向间距分别与子图平均宽度、平均高度的比值。#画图，使用上面自定义的画图函数 X0, X1 = X[:, 0], X[:, 1] xx, yy = make_meshgrid(X0, X1)for clf, title, ax in zip(models, titles, sub.flatten()): plot_countours(ax, clf, xx, yy, cmap=plt.cm.plasma, alpha=0.8) ax.scatter(X0, X1, c=y, cmap=plt.cm.plasma, s=20, edgecolors='k') ax.set_xlim(xx.min(), xx.max()) ax.set_ylim(yy.min(), yy.max()) ax.set_xlabel('Feature 0') ax.set_ylabel('Feature 1') ax.set_xticks(()) ax.set_yticks(()) ax.set_title(title) plt.show()

从图中可以看出来：
1.LinearSVC 和线性内核的 SVC 得到的结果非常近似。但仍有差别，原因之一是，LinearSVC对 L2范数进行优化，而线性内核的SVC是对L1范数进行优化；
2.RBF 内核的 SVC 和 polynomial 内核的 SVC 分类器的决定边界不是线性的，更加弹性。决定他们形状的，是它们的参数。polynomial 内核的 SVC中，起决定作用的参数是 degree 和正则化参数 C，上述代码中使用的 degree是3 ，也就是对原始数据集的特征乘3次方操作。RBF 内核的 SVC中起决定作用的是正则化参数 C 和参数 gamma。

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7.2SVM_diff.png 注释1:

《Python tips: 什么是 *args 和 **kwargs？》

注释2:

np.r_是按列连接两个矩阵，就是把两矩阵上下相加，要求列数相等。
np.c_是按行连接两个矩阵，就是把两矩阵左右相加，要求行数相等

三、支持向量机的gamma参数调节仍旧使用红酒数据，调节gamma 参数值，查看对 RBF 内核的 SVC有什么影响。

#调节gamma 参数值，查看对 RBF 内核的 SVC有什么影响 from sklearn.datasets import load_wine import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn import svm#定义画图函数 def make_meshgrid(x, y, h= .02): x_min, x_max = x.min() - 1, x.max() - 1 y_min, y_max = y.min() - 1, y.max() - 1 xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h)) return xx, yy#定义绘制等高线的函数 def plot_countours(ax, clf, xx, yy, **params): Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()]) Z = Z.reshape(xx.shape) out = ax.contourf(xx, yy, Z, **params) return out#导入红酒数据 wine = load_wine() #选取前两个特征 X = wine.data[:, :2] y = wine.targetC = 1.0 #SVM正则化参数 models = (svm.SVC(kernel='rbf', gamma=0.1, C=C), svm.SVC(kernel='rbf', gamma=1, C=C), svm.SVC(kernel='rbf', gamma=10, C=C))models = (clf.fit(X, y) for clf in models)#设置图题 titles = ('gamma = 0.1', 'gamma = 1', 'gamma = 10')#设定子图形的个数和排列方式 fig, sub = plt.subplots(1, 3, figsize = (10, 3))#画图，使用上面自定义的画图函数 X0, X1 = X[:, 0], X[:, 1] xx, yy = make_meshgrid(X0, X1)for clf, title, ax in zip(models, titles, sub.flatten()): plot_countours(ax, clf, xx, yy, cmap=plt.cm.plasma, alpha=0.8) ax.scatter(X0, X1, c=y, cmap=plt.cm.plasma, s=20, edgecolors='k') ax.set_xlim(xx.min(), xx.max()) ax.set_ylim(yy.min(), yy.max()) ax.set_xlabel('Feature 0') ax.set_ylabel('Feature 1') ax.set_xticks(()) ax.set_yticks(()) ax.set_title(title) plt.show()

从图中可以看出来：
1.gamma值越小，RBF内核的直径越大，有更多的点被圈入决策边界中，决策边界也越平滑
2.随着gamma参数的增加，模型更倾向于把每一个点都放到相应的决策边界中，模型的复杂度也相应提高了
3.gamma值越小，模型更倾向于欠拟合；gamma 值越大，模型更倾向于欠拟合
4.正则化参数C，越小，模型越受限，即单个数据点对模型的影响越小；C 越大，每个数据点对模型的影响就越大，模型就会更加复杂