如何学习SVM（支持向量机）以及改进实现SVM算法程序

※鱼鱼╰☆

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学习 SVM 的最好方法是实现一个 SVM，可讲理论的很多，讲实现的太少了。
假设你已经读懂了 SVM 的原理，并了解公式怎么推导出来的，比如到这里：

$ }, C4 ^0 X" R0 ~. \SVM 的问题就变成：求解一系列满足约束的 alpha 值，使得上面那个函数可以取到最小值。然后记录下这些非零的 alpha 值和对应样本中的 x 值和 y 值，就完成学习了，然后预测的时候用：

上面的公式计算出 f(x) ，如果返回值 > 0 那么是 +1 类别，否则是 -1 类别，先把这一步怎么来的，为什么这么来找篇文章读懂，不然你会做的一头雾水。
那么剩下的 SVM 实现问题就是如何求解这个函数的极值。方法有很多，我们先找个起点，比如 Platt 的 SMO 算法，它后面有伪代码描述怎么快速求解 SVM 的各个系数。
第一步：实现传统的 SMO 算法
现在大部分的 SVM 开源实现，源头都是 platt 的 smo 算法，读完他的文章和推导，然后照着伪代码写就行了，核心代码没几行：
( D: H$ I3 |/ q4 f# p' I% A7 Y5 `procedure takeStep(i1,i2)
if (i1 == i2) return 0
+ v1 Q5 X) |) K) G alph1 = Lagrange multiplier for i1

5 s3 F, T/ ~% N1 [; {+ f2 fy1 = target[i1]

1 z% P' t- Q# B, I+ e4 pE1 = SVM output on point[i1] – y1 (check in error cache)

s = y1*y2
& o- v3 M, E) [2 _0 c. I
Compute L, H via equations (13) and (14)
% ^( F4 G% w/ I' A; U
1 |  Z* e5 M  {if (L == H)

1 f3 \2 a4 v* C' lreturn 0
+ k# v2 |8 j* X3 v2 {0 a/ Q
k11 = kernel(point[i1],point[i1])
5 n5 i& I- b: h4 }" h) T% Q
' k) {% X' ]- q* t  C6 c7 kk12 = kernel(point[i1],point[i2])

k22 = kernel(point[i2],point[i2])
" _5 k) a0 |0 I- J1 j+ f* K% I
eta = k11+k22-2*k12

if (eta > 0)
/ \; I  T3 z* n
  ?' b5 B$ t9 M5 W{
% ^1 D( F  }2 S0 Y
a2 = alph2 + y2*(E1-E2)/eta
. u8 I: w$ |5 D0 a) k, p
if (a2 < L) a2 = L
" p7 ]4 X* {# Z+ s8 Q
( l- M  B, ~! Z- Velse if (a2 > H) a2 = H

}
% Q4 n0 g0 Z- g" T5 v; G7 T8 c
  K1 ^* K: K. oelse
: q. v/ Y* K3 c3 Y4 M( o
$ [8 _0 o$ ?  N3 j9 y8 K, z: E{
! @- ]! k! y) y2 c- l, g) o8 [
Lobj = objective function at a2=L
! t- i0 h) ]  e, t# O, f
8 V2 ?3 e) }0 O2 S) k  {2 w7 bHobj = objective function at a2=H

0 p& g, c2 y# s* s. wif (Lobj < Hobj-eps)
& m% a" d- P. t) I0 \, w" {
8 |3 \; @; g( S# Ta2 = L

6 ~, Y. h4 t/ l7 r, Belse if (Lobj > Hobj+eps)

a2 = H

else

a2 = alph2

}

if (|a2-alph2| < eps*(a2+alph2+eps))

1 T, H# o+ M; x  A# w! o# ^return 0

a1 = alph1+s*(alph2-a2)

! q# k6 X) ^2 E4 N0 VUpdate threshold to reflect change in Lagrange multipliers

Update weight vector to reflect change in a1 & a2, if SVM is linear
* V( `* G! x4 M0 n
Update error cache using new Lagrange multipliers
" `( \! W  r- E: ?, `3 b& f
: V; O, @( a* [5 C# QStore a1 in the alpha array
! L$ |2 G" |" d: z4 ^; H" Q
Store a2 in the alpha array
" a; s8 v! C( T
return 1
; g8 d6 Y0 W- @9 ?$ N: Bendprocedure
核心代码很紧凑，就是给定两个 ai, aj，然后迭代出新的 ai, aj 出来，还有一层循环会不停的选择最需要被优化的系数 ai, aj，然后调用这个函数。如何更新权重和 b 变量（threshold）文章里面都有说，再多调试一下，可以用 python 先调试，再换成 C/C++，保证得到一个正确可用的 SVM 程序，这是后面的基础。
第二步：实现核函数缓存
$ }( n( j! a2 a$ _; D观察下上面的伪代码，开销最大的就是计算核函数 K(xi, xj)，有些计算又反复用到，一个 100 个样本的数据集求解，假设总共要调用核函数 20 万次，但是 xi, xj 的组和只有 100x100=1 万种，有缓存的话你的效率可以提升 20 倍。
样本太大时，如果你想存储所有核函数的组和，需要 N*N * sizeof(double) 的空间，如果训练集有 10 万个样本，那么需要 76 GB 的内存，显然是不可能实现的，所以核函数缓存是一个有限空间的 LRU 缓存，SVM 的 SMO 求解过程中其实会反复用到特定的几个有限的核函数求解，所以命中率不用担心。
  u9 k# i( B* w, k有了这个核函数缓存，你的 SVM 求解程序能瞬间快几十倍。
) ?% c, m; p* m9 U第三步：优化误差值求解
; F- v) y9 [3 z- s注意看上面的伪代码，里面需要计算一个估计值和真实值的误差 Ei 和 Ej，他们的求解方法是：
E(i) = f(xi) - yi
这就是目前为止 SMO 这段为代码里代价最高的函数，因为回顾下上面的公式，计算一遍 f(x) 需要 for 循环做乘法加法。
platt 的文章建议是做一个 E 函数的缓存，方便后面选择 i, j 时比较，我看到很多入门版本 SVM 实现都是这么做。其实这是有问题的，后面我们会说到。最好的方式是定义一个 g(x) 令其等于：

也就是 f(x) 公式除了 b 以外前面的最费时的计算，那么我们随时可以计算误差：
# E* k3 M' d9 m% f0 {" B! M$ JE(j) = g(xj) + b - yj
0 S3 p1 o* y& S$ G+ I/ D所以最好的办法是对 g(x) 进行缓存，platt 的方法里因为所有 alpha 值初始化成了 0，所以 g(x) 一开始就可以全部设置成 0，稍微观察一下 g(x) 的公式，你就会发现，因为去掉了 b 的干扰，而每次 SMO 迭代更新 ai, aj 参数时，这两个值都是线性变化的，所以我们可以给 g(x) 求关于 a 的偏导，假设 ai，aj 变化了步长 delta，那么所有样本对应的 g(x) 加上 delta 乘以针对 ai, aj 的偏导数就行了，具体代码类似：
6 M1 f3 ~, Z% X: F- ]* H4 ndouble Kik = kernel(i, k);
, V; Z2 l- A1 idouble Kjk = kernel(j, k);
- ~: s2 H& f) {5 p7 |G[k] += delta_alpha_i * Kik * y + delta_alpha_j * Kjk * y[j];
把这段代码放在 takeStep 后面，每次成功更新一对 ai, aj 以后，更新所有样本对应的 g(x) 缓存，这样通过每次迭代更新 g(x) 避免了大量的重复计算。
4 z1 B' T" [$ v0 I! A- n; B6 q$ L2 H" J这其实是很直白的一种优化方式，我查了一下，有人专门发论文就讲了个类似的方法。
% k7 i8 Q9 d7 d+ g第四步：实现冷热数据分离
0 _; R" Y/ b8 f8 n+ N7 hPlatt 的文章里也证明过一旦某个 alpha 出于边界（0 或者 C）的时候，就很不容易变动，而且伪代码也是优先在工作集里寻找 > 0 and < C 的 alpha 值进行优化，找不到了，再对工作集整体的 alpha 值进行迭代。
1 |' O' {5 E- o! P( h! U那么我们势必就可以把工作集分成两个部分，热数据在前（大于 0 小于 C 的 alpha 值），冷数据在后（小于等于 0 或者大于等于 C 的 alpha）。
随着迭代加深，会发现大部分时候只需要在热数据里求解，并且热数据的大小会逐步不停的收缩，所以区分了冷热以后 SVM 大部分都在针对有限的热数据迭代，偶尔不行了，再全部迭代一次，然后又回到冷热迭代，性能又能提高不少。
第五步：支持 Ensemble
+ }; L. M7 c" v/ o' ?( z大家都知道，通过 Ensemble 可以让多个不同的弱模型组和成一个强模型，而传统 SVM 实现并不能适应一些类似 AdaBoost 的集成方法，所以我们需要做一些改动。可以让外面针对某一个分类传入一个“权重”过来，修正 SVM 的识别结果。
最传统的修改方式就是将不等式约束 C 分为 Cp 和 Cn 两个针对 +1 分类的 C 及针对 -1 分类的 C。修改方式是直接用原始的 C 乘以各自分类的权重，得到 Cp 和 Cn，然后迭代时，不同的样本根据它的 y 值符号，用不同的 C 值带入计算。
4 Y# ~/ o8 \) X+ V# }8 M这样 SVM 就能用各种集成方法同其他模型一起组成更为强大精准的模型了。
8 o- l1 k# _- c' c: l实现到这一步你就得到了功能上和性能上同 libsvm 类似的东西，接下来我们继续优化。
1 t$ u) |3 L6 w  x第六步：继续优化核函数计算
: {4 Z9 U" y* j2 Z6 p; V核函数缓存非常消耗内存，libsvm 数学上已经没得挑了，但是工程方面还有很大改进余地，比如它的核缓存实现。
由于标准 SVM 核函数用的是两个高维矢量的内积，根据内积的几个条件，SVM 的核函数又是一个正定核，即 K(xi, xj) = K(xj, xi)，那么我们同样的内存还能再多存一倍的核函数，性能又能有所提升。
针对核函数的计算和存储有很多优化方式，比如有人对 NxN 的核函数矩阵进行采样，只计算有限的几个核函数，然后通过插值的方式求解出中间的值。还有人用 float 存储核函数值，又降低了一倍空间需求。
. R. C) m, z0 z0 W* g第七步：支持稀疏向量和非稀疏向量
# |7 y3 g& o: l, W& y6 J3 u对于高维样本，比如文字这些，可能有上千维，每个样本的非零特征可能就那么几个，所以稀疏向量会比较高效，libsvm 也是用的稀疏向量。
但是还有很多时候样本是密集向量，比如一共 200 个特征，大部分样本都有 100个以上的非零特征，用稀疏向量存储的话就非常低效了，openCV 的 SVM 实现就是非稀疏向量。
非稀疏向量直接是用数组保存样本每个特征的值，在工程方面就有很多优化方式了，比如用的最多的求核函数的时候，直接上 SIMD 指令或者 CUDA，就能获得更好的计算性能。
所以最好的方式是同时支持稀疏和非稀疏，兼顾时间和空间效率，对不同的数据选择最适合的方式。
0 a8 U6 I6 i& Q' D( I第八步：针对线性核进行优化
  K3 K3 a. O+ g. F传统的 SMO 方法，是 SVM 的通用求解方法，然而针对线性核，就是：
, T5 `: @3 }6 t- AK(xi, xj) = xi . xj
还有很多更高效的求解思路，比如 Pegasos 算法就用了一种类似随机梯度下降的方法，快速求 SVM 的解权重 w，如果你的样本适合线性核，使用一些针对性的非 SMO 算法可以极大的优化 SVM 求解，并且能处理更加庞大的数据集，LIBLINEAR 就是做这件事情的。
+ f9 f& Z' _6 F2 u( h5 {. @/ X- n同时这类算法也适合 online 训练和并行训练，可以逐步更新增量训练新的样本，还可以用到多核和分布式计算来训练模型，这是 SMO 算法做不到的地方。
但是如果碰到非线性核，权重 w 处于高维核空间里（有可能无限维），你没法梯度下降迭代 w，并且 pegasos 的 pdf 里面也没有提到如何用到非线性核上，LIBLINEAR 也没有办法处理非线性核。
. r* f3 F) S: l" }3 s5 F5 V或许哪天出个数学家又找到一种更好的方法，可以用类似 pegasos 的方式求解非线性核，那么 SVM 就能有比较大的进展了。
; t" H0 ~7 p. W) y后话
; I9 a- V& e. g+ {6 x- E9 S上面八条，你如果实现前三条，基本就能深入理解 SVM 的原理了，如果实现一大半，就可以得到一个类似 libsvm 的东西，全部实现，你就能得到一个比 libsvm 更好用的 SVM 库了。
上面就是如何实现一个相对成熟的 SVM 模型的思路，以及配套优化方法，再往后还有兴趣，可以接着实现支持向量回归，也是一个很有用的东西。
) t5 D3 E" t. p, q, ]3 Z
4 Y- E  J4 a9 G/ t! w来源：http://www.yidianzixun.com/article/0Lv0UIiC
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