更新完 6.SVM支持向量机

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2017-04-19 23:28:38 +08:00
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@@ -101,7 +101,7 @@ def calcEk(oS, k):
k 具体的某一行
Returns:
Ek 预测结果与真实结果比对计算误差Ek
"""
fXk = float(multiply(oS.alphas, oS.labelMat).T * oS.K[:, k] + oS.b)
Ek = fXk - float(oS.labelMat[k])
@@ -142,7 +142,7 @@ def selectJ(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs 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。
# 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])
@@ -515,8 +515,8 @@ if __name__ == "__main__":
# plotfig_SVM(dataArr, labelArr, ws, b, alphas)
# # 有核函数的测试
# testRbf(1)
testRbf(0.8)
# 项目实战
# 示例:手写识别问题回顾
testDigits(('rbf', 20))
# testDigits(('rbf', 20))

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@@ -11,6 +11,18 @@ from numpy import *
import matplotlib.pyplot as plt
class optStruct:
def __init__(self, dataMatIn, classLabels, C, toler): # Initialize the structure with the parameters
self.X = dataMatIn
self.labelMat = classLabels
self.C = C
self.tol = toler
self.m = shape(dataMatIn)[0]
self.alphas = mat(zeros((self.m, 1)))
self.b = 0
self.eCache = mat(zeros((self.m, 2))) # first column is valid flag
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
@@ -61,6 +73,222 @@ def clipAlpha(aj, H, L):
return aj
def calcEk(oS, k):
"""calcEk求 Ek误差预测值-真实值的差)
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:
Ek 预测结果与真实结果比对计算误差Ek
"""
fXk = float(multiply(oS.alphas, oS.labelMat).T * (oS.X * oS.X[k, :].T)) + oS.b
Ek = fXk - float(oS.labelMat[k])
return Ek
def selectJ(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs Ej
"""selectJ返回最优的j和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 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
# 求 Ek误差预测值-真实值的差
Ek = calcEk(oS, k)
deltaE = abs(Ei - Ek)
if (deltaE > maxDeltaE):
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)
# 求 Ek误差预测值-真实值的差
Ej = calcEk(oS, j)
return j, Ej
def updateEk(oS, k): # after any alpha has changed update the new value in the cache
"""updateEk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 某一列的行号
"""
# 求 误差:预测值-真实值的差
Ek = calcEk(oS, k)
oS.eCache[k] = [1, Ek]
def innerL(i, oS):
"""innerL
内循环代码
Args:
i 具体的某一行
oS optStruct对象
Returns:
0 找不到最优的值
1 找到了最优的值并且oS.Cache到缓存中
"""
# 求 Ek误差预测值-真实值的差
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.X[i, :] * oS.X[j, :].T - oS.X[i, :] * oS.X[i, :].T - oS.X[j, :] * oS.X[j, :].T
if eta >= 0:
print("eta>=0")
return 0
# 计算出一个新的alphas[j]值
oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j] * (Ei - Ej) / eta
# 并使用辅助函数以及L和H对其进行调整
oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j], H, L)
# 更新误差缓存
updateEk(oS, j)
# 检查alpha[j]是否只是轻微的改变如果是的话就退出for循环。
if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001):
print("j not moving enough")
return 0
# 然后alphas[i]和alphas[j]同样进行改变,虽然改变的大小一样,但是改变的方向正好相反
oS.alphas[i] += oS.labelMat[j] * oS.labelMat[i] * (alphaJold - oS.alphas[j])
# 更新误差缓存
updateEk(oS, i)
# 在对alpha[i], alpha[j] 进行优化之后给这两个alpha值设置一个常数b。
# w= Σ[1~n] ai*yi*xi => b = yj Σ[1~n] ai*yi(xi*xj)
# 所以: b1 - b = (y1-y) - Σ[1~n] yi*(a1-a)*(xi*x1)
b1 = oS.b - Ei - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.X[i, :] * oS.X[i, :].T - oS.labelMat[j] * (oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.X[i, :] * oS.X[j, :].T
b2 = oS.b - Ej - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.X[i, :] * oS.X[j, :].T - oS.labelMat[j] * (oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.X[j, :] * oS.X[j, :].T
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):
"""
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
Args:
dataMatIn 数据集
classLabels 类别标签
C 松弛变量(常量值),允许有些数据点可以处于分隔面的错误一侧。
控制最大化间隔和保证大部分的函数间隔小于1.0这两个目标的权重。
可以通过调节该参数达到不同的结果。
toler 容错率
maxIter 退出前最大的循环次数
Returns:
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)
iter = 0
entireSet = True
alphaPairsChanged = 0
# 循环遍历循环maxIter次 并且 alphaPairsChanged存在可以改变 or 所有行遍历一遍)
while (iter < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)):
alphaPairsChanged = 0
# 当entireSet=true or 非边界alpha对没有了就开始寻找 alpha对然后决定是否要进行else。
if entireSet:
# 在数据集上遍历所有可能的alpha
for i in range(oS.m):
# 是否存在alpha对存在就+1
alphaPairsChanged += innerL(i, oS)
print("fullSet, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter, i, alphaPairsChanged))
iter += 1
# 对已存在 alpha对选出非边界的alpha值进行优化。
else:
# 遍历所有的非边界alpha值也就是不在边界0或C上的值。
nonBoundIs = nonzero((oS.alphas.A > 0) * (oS.alphas.A < C))[0]
for i in nonBoundIs:
alphaPairsChanged += innerL(i, oS)
print("non-bound, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter, i, alphaPairsChanged))
iter += 1
# 如果找到alpha对就优化非边界alpha值否则就重新进行寻找如果寻找一遍 遍历所有的行还是没找到,就退出循环。
if entireSet:
entireSet = False # toggle entire set loop
elif (alphaPairsChanged == 0):
entireSet = True
print("iteration number: %d" % iter)
return oS.b, oS.alphas
def calcWs(alphas, dataArr, classLabels):
"""
基于alpha计算w值
@@ -81,126 +309,6 @@ def calcWs(alphas, dataArr, classLabels):
return w
'''
#######********************************
Non-Kernel VErsions below
#######********************************
'''
class optStruct:
def __init__(self, dataMatIn, classLabels, C, toler): # Initialize the structure with the parameters
self.X = dataMatIn
self.labelMat = classLabels
self.C = C
self.tol = toler
self.m = shape(dataMatIn)[0]
self.alphas = mat(zeros((self.m, 1)))
self.b = 0
self.eCache = mat(zeros((self.m, 2))) # first column is valid flag
def calcEk(oS, k):
fXk = float(multiply(oS.alphas, oS.labelMat).T * (oS.X * oS.X[k, :].T)) + oS.b
Ek = fXk - float(oS.labelMat[k])
return Ek
def selectJ(i, oS, Ei): # this is the second choice -heurstic, and calcs Ej
maxK = -1
maxDeltaE = 0
Ej = 0
oS.eCache[i] = [1, Ei] # set valid #choose the alpha that gives the maximum delta E
validEcacheList = nonzero(oS.eCache[:, 0].A)[0]
if (len(validEcacheList)) > 1:
for k in validEcacheList: # loop through valid Ecache values and find the one that maximizes delta E
if k == i: continue # don't calc for i, waste of time
Ek = calcEk(oS, k)
deltaE = abs(Ei - Ek)
if (deltaE > maxDeltaE):
maxK = k
maxDeltaE = deltaE
Ej = Ek
return maxK, Ej
else: # in this case (first time around) we don't have any valid eCache values
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
Ek = calcEk(oS, k)
oS.eCache[k] = [1, Ek]
def innerL(i, oS):
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.X[i, :] * oS.X[j, :].T - oS.X[i, :] * oS.X[i, :].T - oS.X[j, :] * oS.X[j, :].T
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) # added this for the Ecache
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) # added this for the Ecache #the update is in the oppostie direction
b1 = oS.b - Ei - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.X[i, :] * oS.X[i, :].T - oS.labelMat[j] * (
oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.X[i, :] * oS.X[j, :].T
b2 = oS.b - Ej - oS.labelMat[i] * (oS.alphas[i] - alphaIold) * oS.X[i, :] * oS.X[j, :].T - oS.labelMat[j] * (
oS.alphas[j] - alphaJold) * oS.X[j, :] * oS.X[j, :].T
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): # full Platt SMO
oS = optStruct(mat(dataMatIn), mat(classLabels).transpose(), C, toler)
iter = 0
entireSet = True
alphaPairsChanged = 0
while (iter < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)):
alphaPairsChanged = 0
if entireSet: # go over all
for i in range(oS.m):
alphaPairsChanged += innerL(i, oS)
print("fullSet, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter, i, alphaPairsChanged))
iter += 1
else: # go over non-bound (railed) alphas
nonBoundIs = nonzero((oS.alphas.A > 0) * (oS.alphas.A < C))[0]
for i in nonBoundIs:
alphaPairsChanged += innerL(i, oS)
print("non-bound, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter, i, alphaPairsChanged))
iter += 1
if entireSet:
entireSet = False # toggle entire set loop
elif (alphaPairsChanged == 0):
entireSet = True
print("iteration number: %d" % iter)
return oS.b, oS.alphas
def plotfig_SVM(xArr, yArr, ws, b, alphas):
"""
参考地址:

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@@ -145,7 +145,7 @@ def smoSimple(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter):
# 然后alphas[i]和alphas[j]同样进行改变,虽然改变的大小一样,但是改变的方向正好相反
alphas[i] += labelMat[j]*labelMat[i]*(alphaJold - alphas[j])
# 在对alpha[i], alpha[j] 进行优化之后给这两个alpha值设置一个常数b。
# w= Σ[1~n] ai*yi*xi => b = yi- Σ[1~n] ai*yi(xi*xj)
# w= Σ[1~n] ai*yi*xi => b = yj- Σ[1~n] ai*yi(xi*xj)
# 所以: b1 - b = (y1-y) - Σ[1~n] yi*(a1-a)*(xi*x1)
b1 = b - Ei- labelMat[i]*(alphas[i]-alphaIold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[i,:].T - labelMat[j]*(alphas[j]-alphaJold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[j,:].T
b2 = b - Ej- labelMat[i]*(alphas[i]-alphaIold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[j,:].T - labelMat[j]*(alphas[j]-alphaJold)*dataMatrix[j,:]*dataMatrix[j,:].T
@@ -158,6 +158,7 @@ def smoSimple(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter):
alphaPairsChanged += 1
print("iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter, i, alphaPairsChanged))
# 在for循环外检查alpha值是否做了更新如果在更新则将iter设为0后继续运行程序
# 知道更新完毕后iter次循环无变化才推出循环。
if (alphaPairsChanged == 0):
iter += 1
else: