Scikit-learn实例之理解SVM正则化系数C

前言

SVM比较详细的介绍可以参考：支持向量机SVM

首先简要回顾一下SVM算法：如下图所示，寻找一个超平面划分数据，使得两类数据到超平面的距离均大余等于1/||w||。

其数学描述为：

其中距离等于1/||w||的样本点称为“支持向量”，并且最终模型（参数w）仅有支持向量决定。

正则化系数C

实际使用时，并不能保证所有数据被完美划分，例如在-例中混杂了一个＋例，标准的SVM就无法求解，如下图所示。

另外，即使数据可以完美划分开，还需要考虑过拟合的问题，即如下图所示，如果完全拟合训练数据，非要将所有正例和反例分开，则分界线为橙色，当需要识别新样本时（紫色x），明显它更符合负例，但是会被划分为正例，即发生过拟合了。

有关机器学习中过拟合及解决方法的问题可以参考：机器学习中的偏差和方差

如果，引入正则化系数C，可以理解允许划分错误的权重（越大，越不允许出错），当C较小时，允许少量样例划分错误，此时分界线为黄色，更加合理。此时对应的SVM方程为：

当ξ=0时，限制条件与以前相同，即划分正确；当0<ξ<1时，样本距离超平面距离小于1/||w||，但此时会在代价函数中有惩罚；当ξ>1时，代表样本越过超平面，划分错误，惩罚会更大。此时模型（参数w）由边界上的样本点及ξ!=0的样本点共同决定。

代码

本实例绘制了在不同正则化系数C下，SVM选择最佳分界线。随机生成160个数据，80个正例，80个反例。选择两个C，为10和0.05，分别代表非正则化/正则化。实际上标准SVM对应C=无穷。划分结果如下，画圈的代表支持向量：

从划分结果可以看出，当C=0.05时，此时允许训练误差更大，支持向量更多，同时正负例的间隔也更大。

代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import svm

# we create 160 separable points
np.random.seed(0)
X = np.r_[np.random.randn(80,2) - [2,2],np.random.randn(80,2) + [2,2]]
Y = [0] * 80 + [1] * 80

# figure number
fignum = 1

# fit the model
for name,penalty in (('unreg',10),('reg',0.05)):

    clf = svm.SVC(kernel='linear',C=penalty)  #线性核函数
    clf.fit(X,Y)

    # get the separating hyperplane
    w = clf.coef_[0]
    a = -w[0] / w[1]
    xx = np.linspace(-5,5)
    yy = a * xx - (clf.intercept_[0]) / w[1]   #超平面

    # plot the parallels to the separating hyperplane that pass through the
    # support vectors
    margin = 1 / np.sqrt(np.sum(clf.coef_ ** 2))
    yy_down = yy + a * margin   #下平面
    yy_up = yy - a * margin     #上平面

    # plot the line,the points,and the nearest vectors to the plane
    plt.figure(fignum,figsize=(4,3))
    plt.clf()
    plt.plot(xx,yy,'k-')        #实线
    plt.plot(xx,yy_down,'k--')  #虚线
    plt.plot(xx,yy_up,'k--')

    plt.scatter(clf.support_vectors_[:,0],clf.support_vectors_[:,1],s=80,facecolors='none',zorder=10)   #标注支持向量
    plt.scatter(X[:,X[:,c=Y,zorder=10,cmap=plt.cm.Paired)  #绘点

    plt.axis('tight')
    x_min = -4.8
    x_max = 4.2
    y_min = -6
    y_max = 6

    XX,YY = np.mgrid[x_min:x_max:200j,y_min:y_max:200j]
    Z = clf.predict(np.c_[XX.ravel(),YY.ravel()])

    # Put the result into a color plot
    Z = Z.reshape(XX.shape)
    plt.figure(fignum,3))
    plt.pcolormesh(XX,YY,Z,cmap=plt.cm.Paired)

    plt.xlim(x_min,x_max)
    plt.ylim(y_min,y_max)

    title = 'C = ' + str(penalty)
    plt.title(title)
    plt.xticks(())
    plt.yticks(())
    fignum = fignum + 1

plt.show()

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Scikit-learn实例之理解SVM正则化系数C

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