diff --git a/src/python/6.SVM/svm-complete.py b/src/python/6.SVM/svm-complete.py index 34826ac5..b42f5af0 100644 --- a/src/python/6.SVM/svm-complete.py +++ b/src/python/6.SVM/svm-complete.py @@ -39,14 +39,43 @@ class optStruct: # 误差缓存,第一列给出的是eCache是否有效的标志位,第二列给出的是实际的E值。 self.eCache = mat(zeros((self.m, 2))) + + # m行m列的矩阵 self.K = mat(zeros((self.m, self.m))) for i in range(self.m): self.K[:, i] = kernelTrans(self.X, self.X[i, :], kTup) -def loadDataSet(fileName): +def kernelTrans(X, A, kTup): # calc the kernel or transform data to a higher dimensional space """ - 对文件进行逐行解析,从而得到第行的类标签和整个数据矩阵 + 核转换函数 + Args: + X dataMatIn数据集 + A dataMatIn数据集的第i行的数据 + kTup 核函数的信息 + + Returns: + + """ + m, n = shape(X) + K = mat(zeros((m, 1))) + if kTup[0] == 'lin': + # linear kernel: m*n * n*1 = m*1 + K = X * A.T + elif kTup[0] == 'rbf': + for j in range(m): + deltaRow = X[j, :] - A + K[j] = deltaRow * deltaRow.T + K = exp(K / (-1 * kTup[1] ** 2)) # divide in NumPy is element-wise not matrix like Matlab + else: + raise NameError('Houston We Have a Problem -- \ + That Kernel is not recognized') + return K + + +def loadDataSet(fileName): + """loadDataSet(对文件进行逐行解析,从而得到第行的类标签和整个数据矩阵) + Args: fileName 文件名 Returns: @@ -63,6 +92,186 @@ def loadDataSet(fileName): return dataMat, labelMat +def calcEk(oS, k): + """calcEk(计算误差E值并返回) + + 该过程在完整版的SMO算法中陪出现次数较多,因此将其单独作为一个方法 + Args: + oS optStruct对象 + k 具体的某一行 + + Returns: + + """ + fXk = float(multiply(oS.alphas, oS.labelMat).T * oS.K[:, k] + oS.b) + Ek = fXk - float(oS.labelMat[k]) + return Ek + + +def selectJrand(i, m): + """ + 随机选择一个整数 + Args: + i 第一个alpha的下标 + m 所有alpha的数目 + Returns: + j 返回一个不为i的随机数,在0~m之间的整数值 + """ + j = i + while j == i: + j = int(random.uniform(0, m)) + return j + + +def selectJ(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs Ej + """selectJ() + + 内循环的启发式方法。 + 选择第二个(内循环)alpha的alpha值 + 这里的目标是选择合适的第二个alpha值以保证每次优化中采用最大步长。 + 该函数的误差与第一个alpha值Ei和下标i有关。 + Args: + i 具体的第i一行 + oS optStruct对象 + Ei 预测结果与真实结果比对,计算误差Ei + + Returns: + j 随机选出的第j一行 + Ej 预测结果与真实结果比对,计算误差Ej + """ + maxK = -1 + maxDeltaE = 0 + Ej = 0 + # # 首先将输入值Ei在缓存中设置成为有效的。这里的有效意味着它已经计算好了。 + oS.eCache[i] = [1, Ei] + + # print 'oS.eCache[%s]=%s' % (i, oS.eCache[i]) + # print 'oS.eCache[:, 0].A=%s' % oS.eCache[:, 0].A.T + # """ + # # 返回非0的:行列值 + # nonzero(oS.eCache[:, 0].A)= ( + # 行: array([ 0, 2, 4, 5, 8, 10, 17, 18, 20, 21, 23, 25, 26, 29, 30, 39, 46,52, 54, 55, 62, 69, 70, 76, 79, 82, 94, 97]), + # 列: array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0]) + # ) + # """ + # print 'nonzero(oS.eCache[:, 0].A)=', nonzero(oS.eCache[:, 0].A) + # # 取行的list + # print 'nonzero(oS.eCache[:, 0].A)[0]=', nonzero(oS.eCache[:, 0].A)[0] + # 非零E值的行的list列表,所对应的alpha值 + validEcacheList = nonzero(oS.eCache[:, 0].A)[0] + if (len(validEcacheList)) > 1: + for k in validEcacheList: # 在所有的值上进行循环,并选择其中使得改变最大的那个值 + if k == i: + continue # don't calc for i, waste of time + Ek = calcEk(oS, k) + deltaE = abs(Ei - Ek) + if (deltaE > maxDeltaE): + # 选择具有最大步长的j + maxK = k + maxDeltaE = deltaE + Ej = Ek + return maxK, Ej + else: # 如果是第一次循环,则随机选择一个alpha值 + j = selectJrand(i, oS.m) + Ej = calcEk(oS, j) + return j, Ej + + +def updateEk(oS, k): + """ + 计算误差值并存入缓存中。 + 在对alpha值进行优化之后会用到这个值。 + Args: + oS optStruct对象 + k: + + Returns: + + """ + Ek = calcEk(oS, k) + oS.eCache[k] = [1, Ek] + + +def clipAlpha(aj, H, L): + """clipAlpha(调整aj的值,使aj处于 L<=aj<=H) + Args: + aj 目标值 + H 最大值 + L 最小值 + Returns: + aj 目标值 + """ + if aj > H: + aj = H + if L > aj: + aj = L + return aj + + +def innerL(i, oS): + """ + 内循环代码 + Args: + i 具体的某一行 + oS optStruct对象 + + Returns: + + """ + + # 预测结果与真实结果比对,计算误差Ei + Ei = calcEk(oS, i) + + # 约束条件 (KKT条件是解决最优化问题的时用到的一种方法。我们这里提到的最优化问题通常是指对于给定的某一函数,求其在指定作用域上的全局最小值。) + # 0<=alphas[i]<=C,但由于0和C是边界值,我们无法进行优化,因为需要增加一个alphas和降低一个alphas。 + # 表示发生错误的概率:labelMat[i]*Ei 如果超出了 toler, 才需要优化。至于正负号,我们考虑绝对值就对了。 + if ((oS.labelMat[i] * Ei < -oS.tol) and (oS.alphas[i] < oS.C)) or ((oS.labelMat[i] * Ei > oS.tol) and (oS.alphas[i] > 0)): + # 选择最大的误差对应的j进行优化。效果更明显 + j, Ej = selectJ(i, oS, Ei) + alphaIold = oS.alphas[i].copy() + alphaJold = oS.alphas[j].copy() + + # L和H用于将alphas[j]调整到0-C之间。如果L==H,就不做任何改变,直接return 0 + if (oS.labelMat[i] != oS.labelMat[j]): + L = max(0, oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) + H = min(oS.C, oS.C + oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) + else: + L = max(0, oS.alphas[j] + oS.alphas[i] - oS.C) + H = min(oS.C, oS.alphas[j] + oS.alphas[i]) + if L == H: + print("L==H") + return 0 + + # eta是alphas[j]的最优修改量,如果eta==0,需要退出for循环的当前迭代过程 + # 如果ETA为0,那么计算新的alphas[j]就比较麻烦了, 为什么呢? 因为2个值一样。 + # 2ab <= a^2 + b^2 + eta = 2.0 * oS.K[i, j] - oS.K[i, i] - oS.K[j, j] # changed for kernel + if eta >= 0: + print("eta>=0") + return 0 + oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j] * (Ei - Ej) / eta + oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j], H, L) + updateEk(oS, j) # 更新误差缓存 + if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001): + print("j not moving enough") + return 0 + oS.alphas[i] += oS.labelMat[j] * oS.labelMat[i] * (alphaJold - oS.alphas[j]) # update i by the same amount as j + updateEk(oS, i) # 更新误差缓存 #the update is in the oppostie direction + b1 = oS.b - Ei - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.K[i, i] - oS.labelMat[j] * ( + oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.K[i, j] + b2 = oS.b - Ej - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.K[i, j] - oS.labelMat[j] * ( + oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.K[j, j] + if (0 < oS.alphas[i]) and (oS.C > oS.alphas[i]): + oS.b = b1 + elif (0 < oS.alphas[j]) and (oS.C > oS.alphas[j]): + oS.b = b2 + else: + oS.b = (b1 + b2) / 2.0 + return 1 + else: + return 0 + + def smoP(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter, kTup=('lin', 0)): """ 完整SMO算法外循环,与smoSimple有些类似,但这里的循环退出条件更多一些 @@ -79,10 +288,14 @@ def smoP(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter, kTup=('lin', 0)): b 模型的常量值 alphas 拉格朗日乘子 """ + + # 创建一个 optStruct 对象 oS = optStruct(mat(dataMatIn), mat(classLabels).transpose(), C, toler, kTup) iter = 0 entireSet = True alphaPairsChanged = 0 + + # 循环遍历: while (iter < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)): alphaPairsChanged = 0 if entireSet: # 在数据集上遍历所有可能的alpha @@ -124,7 +337,7 @@ def calcWs(alphas, dataArr, classLabels): return w -def plotfig_SVM(xMat, yMat, ws, b, alphas): +def plotfig_SVM(xArr, yArr, ws, b, alphas): """ 参考地址: http://blog.csdn.net/maoersong/article/details/24315633 @@ -132,8 +345,8 @@ def plotfig_SVM(xMat, yMat, ws, b, alphas): http://blog.csdn.net/kkxgx/article/details/6951959 """ - xMat = mat(xMat) - yMat = mat(yMat) + xMat = mat(xArr) + yMat = mat(yArr) # b原来是矩阵,先转为数组类型后其数组大小为(1,1),所以后面加[0],变为(1,) b = array(b)[0] @@ -149,8 +362,9 @@ def plotfig_SVM(xMat, yMat, ws, b, alphas): # 根据x.w + b = 0 得到,其式子展开为w0.x1 + w1.x2 + b = 0, x2就是y值 y = (-b-ws[0, 0]*x)/ws[1, 0] ax.plot(x, y) - for i in range(len(yMat)): - if yMat[i, 0] > 0: + + for i in range(shape(yMat[0, :])[1]): + if yMat[0, i] > 0: ax.plot(xMat[i, 0], xMat[i, 1], 'cx') else: ax.plot(xMat[i, 0], xMat[i, 1], 'kp') @@ -168,7 +382,7 @@ if __name__ == "__main__": # print labelArr # b是常量值, alphas是拉格朗日乘子 - b, alphas = smop(dataArr, labelArr, 0.6, 0.001, 40) + b, alphas = smoP(dataArr, labelArr, 0.6, 0.001, 40) print '/n/n/n' print 'b=', b print 'alphas[alphas>0]=', alphas[alphas > 0] @@ -182,149 +396,32 @@ if __name__ == "__main__": -def kernelTrans(X, A, kTup): # calc the kernel or transform data to a higher dimensional space - """ - 核转换函数 - Args: - X: - A: - kTup: 核函数的信息 - - Returns: - - """ - m, n = shape(X) - K = mat(zeros((m, 1))) - if kTup[0] == 'lin': - K = X * A.T # linear kernel - elif kTup[0] == 'rbf': - for j in range(m): - deltaRow = X[j, :] - A - K[j] = deltaRow * deltaRow.T - K = exp(K / (-1 * kTup[1] ** 2)) # divide in NumPy is element-wise not matrix like Matlab - else: - raise NameError('Houston We Have a Problem -- \ - That Kernel is not recognized') - return K -def calcEk(oS, k): - """ - 计算E值并返回 - 该过程在完整版的SMO算法中陪出现次数较多,因此将其单独作为一个方法 - Args: - oS: - k: - - Returns: - - """ - fXk = float(multiply(oS.alphas, oS.labelMat).T * oS.K[:, k] + oS.b) - Ek = fXk - float(oS.labelMat[k]) - return Ek -def selectJ(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs Ej - """ - 内循环的启发式方法。 - 选择第二个(内循环)alpha的alpha值 - 这里的目标是选择合适的第二个alpha值以保证每次优化中采用最大步长。 - 该函数的误差与第一个alpha值Ei和下标i有关。 - Args: - i: - oS: - Ei: - - Returns: - - """ - maxK = -1 - maxDeltaE = 0 - Ej = 0 - oS.eCache[i] = [1, Ei] # 首先将输入值Ei在缓存中设置成为有效的。这里的有效意味着它已经计算好了。 - validEcacheList = nonzero(oS.eCache[:, 0].A)[0] # 非零E值所对应的alpha值 - if (len(validEcacheList)) > 1: - for k in validEcacheList: # 在所有的值上进行循环,并选择其中使得改变最大的那个值 - if k == i: continue # don't calc for i, waste of time - Ek = calcEk(oS, k) - deltaE = abs(Ei - Ek) - if (deltaE > maxDeltaE): - # 选择具有最大步长的j - maxK = k - maxDeltaE = deltaE - Ej = Ek - return maxK, Ej - else: # 如果是第一次循环,则随机选择一个alpha值 - j = selectJrand(i, oS.m) - Ej = calcEk(oS, j) - return j, Ej -def updateEk(oS, k): # after any alpha has changed update the new value in the cache - """ - 计算误差值并存入缓存中。 - 在对alpha值进行优化之后会用到这个值。 - Args: - oS: - k: - - Returns: - - """ - Ek = calcEk(oS, k) - oS.eCache[k] = [1, Ek] -def innerL(i, oS): - """ - 内循环代码 - Args: - i: - oS: - Returns: - """ - Ei = calcEk(oS, i) - if ((oS.labelMat[i] * Ei < -oS.tol) and (oS.alphas[i] < oS.C)) or ( - (oS.labelMat[i] * Ei > oS.tol) and (oS.alphas[i] > 0)): - j, Ej = selectJ(i, oS, Ei) # this has been changed from selectJrand - alphaIold = oS.alphas[i].copy() - alphaJold = oS.alphas[j].copy() - if (oS.labelMat[i] != oS.labelMat[j]): - L = max(0, oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) - H = min(oS.C, oS.C + oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) - else: - L = max(0, oS.alphas[j] + oS.alphas[i] - oS.C) - H = min(oS.C, oS.alphas[j] + oS.alphas[i]) - if L == H: - print("L==H") - return 0 - eta = 2.0 * oS.K[i, j] - oS.K[i, i] - oS.K[j, j] # changed for kernel - if eta >= 0: - print("eta>=0") - return 0 - oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j] * (Ei - Ej) / eta - oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j], H, L) - updateEk(oS, j) # 更新误差缓存 - if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001): - print("j not moving enough") - return 0 - oS.alphas[i] += oS.labelMat[j] * oS.labelMat[i] * (alphaJold - oS.alphas[j]) # update i by the same amount as j - updateEk(oS, i) # 更新误差缓存 #the update is in the oppostie direction - b1 = oS.b - Ei - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.K[i, i] - oS.labelMat[j] * ( - oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.K[i, j] - b2 = oS.b - Ej - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.K[i, j] - oS.labelMat[j] * ( - oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.K[j, j] - if (0 < oS.alphas[i]) and (oS.C > oS.alphas[i]): - oS.b = b1 - elif (0 < oS.alphas[j]) and (oS.C > oS.alphas[j]): - oS.b = b2 - else: - oS.b = (b1 + b2) / 2.0 - return 1 - else: - return 0 + + + + + + + + + + + + + + + + def testRbf(k1=1.3): @@ -435,6 +532,9 @@ def calcEkK(oS, k): return Ek + + + def selectJK(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs Ej maxK = -1 maxDeltaE = 0 diff --git a/src/python/6.SVM/svm-simple.py b/src/python/6.SVM/svm-simple.py index 552bd236..a2c3b5ad 100644 --- a/src/python/6.SVM/svm-simple.py +++ b/src/python/6.SVM/svm-simple.py @@ -209,8 +209,9 @@ def plotfig_SVM(xMat, yMat, ws, b, alphas): # 根据x.w + b = 0 得到,其式子展开为w0.x1 + w1.x2 + b = 0, x2就是y值 y = (-b-ws[0, 0]*x)/ws[1, 0] ax.plot(x, y) - for i in range(len(yMat)): - if yMat[i, 0] > 0: + + for i in range(shape(yMat[0, :])[1]): + if yMat[0, i] > 0: ax.plot(xMat[i, 0], xMat[i, 1], 'cx') else: ax.plot(xMat[i, 0], xMat[i, 1], 'kp')