实验2分类预测模型——支持向量机SVM 一、 实验目的 1. 了解和掌握支持向量机的基本原理。 2. 熟悉一些基本的建模仿真软件(比如SPSS 、Matlab 等)的操作和使用。 3. 通过仿真实验,进一步理解和掌握支持向量机的运行机制,以及其运用的场景,特别是 在分类和预测中的应用。 二、 实验环境 PC 机一台,SPSS 、Matlab 等软件平台。 三、 理论分析 1. SVM 的基本思想 支持向量机(Support Vector Machine, SVM ),是Vapnik 等人根据统计学习理论中结构风险最小化原则提出的。SVM 能够尽量提高学习机的推广能力,即使由有限数据集得到的判别函数,其对独立的测试集仍能够得到较小的误差。此外,支持向量机是一个凸二次优化问题,能够保证找到的极值解就是全局最优解。这希尔特点使支持向量机成为一种优秀的基于机器学习的算法。 SVM 是从线性可分情况下的最优分类面发展而来的,其基本思想可用图1所示的二维情况说明。 图1最优分类面示意图 图1中,空心点和实心点代表两类数据样本,H 为分类线,H1、H2分别为过各类中离分类线最近的数据样本且平行于分类线的直线,他们之间的距离叫做分类间隔(margin )。所谓最优分类线,就是要求分类线不但能将两类正确分开,使训练错误率为0,而且还要使分类间隔最大。前者保证分类风险最小;后者(即:分类间隔最大)使推广性的界中的置信范围最小,从而时真实风险最小。推广到高维空间,最优分类线就成为了最优分类面。 2. 核函数 ω
支持向量机的成功源于两项关键技术:利用SVM 原则设计具有最大间隔的最优分类面;在高维特征空间中设计前述的最有分类面,利用核函数的技巧得到输入空间中的非线性学习算法。其中,第二项技术就是核函数方法,就是当前一个非常活跃的研究领域。核函数方法就是用非线性变换 Φ 将n 维矢量空间中的随机矢量x 映射到高维特征空间,在高维特征空间中设计线性学习算法,若其中各坐标分量间相互作用仅限于内积,则不需要非线性变换 Φ 的具体形式,只要用满足Mercer 条件的核函数替换线性算法中的内积,就能得到原输入空间中对应的非线性算法。 常用的满足Mercer 条件的核函数有多项式函数、径向基函数和Sigmoid 函数等,选用不同的核函数可构造不同的支持向量机。在实践中,核的选择并未导致结果准确率的很大差别。 3. SVM 的两个重要应用:分类与回归 分类和回归是实际应用中比较重要的两类方法。SVM 分类的思想来源于统计学习理论,其基本思想是构造一个超平面作为分类判别平面,使两类数据样本之间的间隔最大。SVM 分类问题可细分为线性可分、近似线性可分及非线性可分三种情况。SVM 训练和分类过程如图2所示。 图2 SVM 训练和分类过程 SVM 回归问题与分类问题有些相似,给定的数据样本集合为 x i ,y i ,…, x n ,y n 。其中, x i x i ∈R,i =1,2,3…n 。与分类问题不同,这里的 y i 可取任意实数。回归问题就是给定一个新的输入样本x ,根据给定的数据样本推断他所对应的输出y 是多少。如图3-1所示,“×”表示给定数据集中的样本点,回归所要寻找的函数 f x 所对应的曲线。同分类器算法的思路一样,回归算法需要定义一个损失函数,该函数可以忽略真实值某个上下范围内的误差,这种类型的函数也就是 ε 不敏感损失函数。变量ξ度量了训练点上误差的代价,在 ε 不敏感区内误差为0。损失函数的解以函数最小化为特征,使用 ε 不敏感损失函数就有这个优势,以确保全局最小解的存在和可靠泛化界的优化。图3-2显示了具有ε 不敏感带的回归函数。 o x y 图3-1 回归问题几何示意图 o x y 图3-2 回归函数的不敏感地
支持向量机分类器 1 支持向量机的提出与发展 支持向量机( SVM, support vector machine )是数据挖掘中的一项新技术,是借助于最优化方法来解决机器学习问题的新工具,最初由V.Vapnik 等人在1995年首先提出,近几年来在其理论研究和算法实现等方面都取得了很大的进展,开始成为克服“维数灾难”和过学习等困难的强有力的手段,它的理论基础和实现途径的基本框架都已形成。 根据Vapnik & Chervonenkis的统计学习理论 ,如果数据服从某个(固定但未知的)分布,要使机器的实际输出与理想输出之间的偏差尽可能小,则机器应当遵循结构风险最小化 ( SRM,structural risk minimization)原则,而不是经验风险最小化原则,通俗地说就是应当使错误概率的上界最小化。SVM正是这一理论的具体实现。与传统的人工神经网络相比, 它不仅结构简单,而且泛化( generalization)能力明显提高。 2 问题描述 2.1问题引入 假设有分布在Rd空间中的数据,我们希望能够在该空间上找出一个超平面(Hyper-pan),将这一数据分成两类。属于这一类的数据均在超平面的同侧,而属于另一类的数据均在超平面的另一侧。如下图。 比较上图,我们可以发现左图所找出的超平面(虚线),其两平行且与两类数据相切的超平面(实线)之间的距离较近,而右图则具有较大的间隔。而由于我们希望可以找出将两类数据分得较开的超平面,因此右图所找出的是比较好的超平面。 可以将问题简述如下: 设训练的样本输入为xi,i=1,…,l,对应的期望输出为yi∈{+1,-1},其中+1和-1分别代表两类的类别标识,假定分类面方程为ω﹒x+b=0。为使分类面对所有样本正确分类并且具备分类间隔,就要求它满足以下约束条件: 它追求的不仅仅是得到一个能将两类样本分开的分类面,而是要得到一个最优的分类面。 2.2 问题的数学抽象 将上述问题抽象为: 根据给定的训练集
支持向量回归简介 人类通过学习,从已知的事实中分析、总结出规律,并且根据规律对未来 的现象或无法观测的现象做出正确的预测和判断,即获得认知的推广能力。在对智能机器的研究当中,人们也希望能够利用机器(计算机)来模拟人的良好学习能力,这就是机器学习问题。基于数据的机器学习是现代智能技术中的重要方面,机器学习的目的是通过对已知数据的学习,找到数据内在的相互依赖关系,从而获得对未知数据的预测和判断能力,在过去的十几年里,人工神经网络以其强大的并行处理机制、任意函数的逼近能力,学习能力以及自组织和自适应能力等在模式识别、预测和决策等领域得到了广泛的应用。但是神经网络受到网络结构复杂性和样本复杂性的影响较大,容易出现“过学习”或低泛化能力。特别是神经网络学习算法缺乏定量的分析与完备的理论基础支持,没有在本质上推进学习过程本质的认识。 现有机器学习方法共同的重要理论基础之一是统计学。传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论,现有学习方法也多是基于此假设。但在实际问题中,样本数往往是有限的,因此一些理论上很优秀的学习方法实际中表现却可能不尽人意。 与传统统计学相比, 统计学习理论(Statistical Learning Theory 或SLT ) 是一种专门研究小样本情况下机器学习规律的理论Vladimir N. Vapnik 等人从六、七十年代开始致力于此方面研究,到九十年代中期,随着其理论的不断发展和成熟[17] ,也由于神经网络等学习方法在理论上缺乏实 质性进展, 统计学习理论开始受到越来越广泛的重视。 统计学习理论是建立在一套较坚实的理论基础之上的,为解决有限样本学习问题提供了一个统一的框架。它能将很多现有方法纳入其中,有望帮助解决许多原来难以解决的问题(比如神经网络结构选择问题、局部极小点问题)等;同时, 在这一理论基础上发展了一种新的通用学习方法—支持向量机(Support Vector Machine 或SVM ) ,它已初步表现出很多优于已有方法的性能。一些学者认为,SVM 正在成为继神经网络研究之后新的研究热点,并将有力地推动机 器学习理论和技术的发展。 支持向量机(SVM )是一种比较好的实现了结构风险最小化思想的方法。它的机器学习策略是结构风险最小化原则为了最小化期望风险,应同时最小化经验风险和置信范围) 支持向量机方法的基本思想: (1 )它是专门针对有限样本情况的学习机器,实现的是结构风险最小化:在对给定的数据逼近的精度与逼近函数的复杂性之间寻求折衷,以期获得最好的推广能力; (2 )它最终解决的是一个凸二次规划问题,从理论上说,得到的将是全局最优解,解决了在神经网络方法中无法避免的局部极值问题; (3 )它将实际问题通过非线性变换转换到高维的特征空间,在高维空间中构造线性决策函数来实现原空间中的非线性决策函数,巧妙地解决了维数问题,并保证了有较好的推广能力,而且算法复杂度与样本维数无关。 目前,SVM 算法在模式识别、回归估计、概率密度函数估计等方面都有应用,且算法在效率与精度上已经超过传统的学习算法或与之不相上下。
3.支持向量机(回归) 3.1.1 支持向量机 支持向量机(SVM )是美国Vapnik 教授于1990年代提出的,2000年代后成为了很受欢迎的机器学习方法。它将输入样本集合变换到高维空间使得其分离性状况得到改善。它的结构酷似三层感知器,是构造分类规则的通用方法。SVM 方法的贡献在于,它使得人们可以在非常高维的空间中构造出好的分类规则,为分类算法提供了统一的理论框架。作为副产品,SVM 从理论上解释了多层感知器的隐蔽层数目和隐节点数目的作用,因此,将神经网络的学习算法纳入了核技巧范畴。 所谓核技巧,就是找一个核函数(,)K x y 使其满足(,)((),())K x y x y φφ=,代 替在特征空间中内积(),())x y φφ(的计算。因为对于非线性分类,一般是先找一个非线性映射φ将输入数据映射到高维特征空间,使之分离性状况得到很大改观,此时在该特征空间中进行分类,然后再返会原空间,就得到了原输入空间的非线性分类。由于内积运算量相当大,核技巧就是为了降低计算量而生的。 特别, 对特征空间H 为Hilbert 空间的情形,设(,)K x y 是定义在输入空间 n R 上的二元函数,设H 中的规范正交基为12(),(),...,(), ...n x x x φφφ。如果 2 2 1 (,)((),()), {}k k k k k K x y a x y a l φφ∞ == ∈∑ , 那么取1 ()() k k k x a x φφ∞ ==∑ 即为所求的非线性嵌入映射。由于核函数(,)K x y 的定义 域是原来的输入空间,而不是高维的特征空间。因此,巧妙地避开了计算高维内 积 (),())x y φφ(所需付出的计算代价。实际计算中,我们只要选定一个(,)K x y ,
支持向量机数据分类预测 一、题目——意大利葡萄酒种类识别 Wine数据来源为UCI数据库,记录同一区域三种品种葡萄酒的化学成分,数据有178个样本,每个样本含有13个特征分量。50%做为训练集,50%做为测试集。 二、模型建立 模型的建立首先需要从原始数据里把训练集和测试集提取出来,然后进行一定的预处理,必要时进行特征提取,之后用训练集对SVM进行训练,再用得到的模型来预测试集的分类。 三、Matlab实现 3.1 选定训练集和测试集 在178个样本集中,将每个类分成两组,重新组合数据,一部分作为训练集,一部分作为测试集。 % 载入测试数据wine,其中包含的数据为classnumber = 3,wine:178*13的矩阵,wine_labes:178*1的列向量 load chapter12_wine.mat; % 选定训练集和测试集 % 将第一类的1-30,第二类的60-95,第三类的131-153做为训练集 train_wine = [wine(1:30,:);wine(60:95,:);wine(131:153,:)]; % 相应的训练集的标签也要分离出来 train_wine_labels = [wine_labels(1:30);wine_labels(60:95);wine_labels(131:153)]; % 将第一类的31-59,第二类的96-130,第三类的154-178做为测试集 test_wine = [wine(31:59,:);wine(96:130,:);wine(154:178,:)]; % 相应的测试集的标签也要分离出来 test_wine_labels = [wine_labels(31:59);wine_labels(96:130);wine_labels(154:178)]; 3.2数据预处理 对数据进行归一化: %% 数据预处理 % 数据预处理,将训练集和测试集归一化到[0,1]区间 [mtrain,ntrain] = size(train_wine); [mtest,ntest] = size(test_wine); dataset = [train_wine;test_wine]; % mapminmax为MATLAB自带的归一化函数 [dataset_scale,ps] = mapminmax(dataset',0,1); dataset_scale = dataset_scale';
百度文库- 让每个人平等地提升自我 支持向量机实验模型的研究与设计 用户手册 1.简介 本模型是基于SVM(即支持向量机)的机器学习模型,能够将线性可分的和非线性可分的两种情况下的两类数据集进行分类,并对分类结果进行分析。用户可以选择装载已有的数据进行分类,也可以手动创建两类数据集进行分类。用户根据要分类的数据集,从两个训练算法中选择适当的训练算法,并且从三个核函数中选择适当的核函数对数据集进行分类。 2.系统要求 操作系统方面:Windows 98,Windows NT,Windows ME,Windows 2000, Windows XP及Windows 2003系统; 应用软件方面:必须安装MATLAB 或以上版本 3.使用说明 (1)首先运行或者文件,进入模型主界面,如下图: 用户在进入实验前必须先按“设置路径”按钮设置路径,然后就可以通过“进入支持向量机模型”按钮进入模型。
百度文库- 让每个人平等地提升自我(2)进入支持向量机机器学习模型后,界面如下图:用户可以通过各个按钮对模型进行操作 (3)装载或创建数据 a.通过“装载数据”按钮装载数据,用户选择数据所在的文件 b.通过“创建数据”按钮创建数据
百度文库- 让每个人平等地提升自我 可以创建线性可分数据集如下: 可以创建非线性可分数据集如下: C.装载数据或创建数据后的界面上显示数据点,如下图:
百度文库- 让每个人平等地提升自我 (4)通过“训练SVM”按钮对数据集进行分类 在此仅介绍了对线性可分数据集分类的情况,对其他的数据集,操作也跟如下类似。在数据集线性可分情况下,使用不同算法的分类结果: 选择SMO训练算法和Linear核函数的分类结果: (5)通过“重新设置”按钮,重新选择SMO训练算法和Polynomial核函数的分类结果
第三十一章 支持向量机 支持向量机是数据挖掘中的一项新技术,是借助于最优化方法来解决机器学习问 题的新工具,最初由 V.Vapnik 等人提出,近几年来在其理论研究和算法实现等方面都 取得了很大的进展,开始成为克服“维数灾难”和过学习等困难的强有力的手段,它的 理论基础和实现途径的基本框架都已形成。 §1 支持向量分类机的基本原理 根据给定的训练集 l T = {(x 1,y 1 ), (x 2 ,y 2 ),L ,(x l ,y l )}∈ ( X ? Y ) , 其中 x ∈ X = R n , X 称为输入空间,输入空间中的每一个点 x 由 n 个属性特征组成, i i n y i ∈Y = {-1,1},i = 1,L ,l 。寻找 R 上的一个实值函数 g (x ) ,以便用分类函数 f (x ) = sgn( g (x )), 推断任意一个模式 x 相对应的 y 值的问题为分类问题。 1.1 线性可分支持向量分类机 考虑训练集 T ,若 ?ω ∈ R n , b ∈ R 和正数 ε ,使得对所有使 y = 1 的下标 i 有 i (ω ? x i ) + b ≥ ε(这里 (ω ? x i ) 表示向量 ω 和 x i 的内积),而对所有使 y i = -1 的下标 i 有 (ω ? x i ) + b ≤ -ε ,则称训练集 T 线性可分,称相应的分类问题是线性可分的。 记两 类样本集分别为 M = {x i | y i = 1, x i ∈T }, M = {x i | y i = -1, x i ∈T }。定义 M + 的凸包 conv(M + ) 为 + - ? N + N + ? conv(M + ) = ?x = ∑λ x | ∑ λ λ ≥ 0, j = 1,L , N + ; x ∈ M + ←, = 1, j j j j j ? ↑ j =1 j =1 M - 的凸包 conv(M - ) 为 ? N - N - ? conv(M - ) = ?x = ∑λ x | ∑λ λ ≥ 0, j = 1,L , N - ; x ∈ M - ←. = 1, j j j j j ? ↑ j =1 j =1 其中 N + 表示 + 1 类样本集中样本点的个数, N - 表示 - 1类样本集中样本点的个数,定 理 1 给出了训练集 T 线性可分与两类样本集凸包之间的关系。 定理 1 训练集 T 线性可分的充要条件是, T 的两类样本集 M + 和 M - 的凸包相 离。如下图所示 图 1 训练集 T 线性可分时两类样本点集的凸包 证明:①必要性 -762-
第卷第期农业水土工程研究进展课程论文V ol. Supp. . 2015年11月Paper of agricultural water and soil engineering progress subject Nov.2015 1 支持向量机(SVM)在作物需水预测中的应用研究综述 (1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京,100083) 摘要:水资源的合理配置对于社会经济的发展具有重要意义。而在农业水资源的优化配置中常常需要提供精确的作物需水信息才能接下来进行水量的优化配置。支持向量机是基于统计学习理论的新型机器学习方法,因为其出色的学习性能,已经成为当前机器学习界的研究热点。但是目前对支持向量机的研究与应用大多集中在分类这一功能上,而在农业水资源配置中的应用又大多集中于预测径流量,本文系统介绍了支持向量机的理论与一些应用,并对支持向量机在作物需水预测的应用进行了展望。 关键词:作物需水预测;统计学习理论;支持向量机; 中图分类号:S16 文献标志码:A 文章编号: 0引言 作物的需水预测是农业水资源优化配置的前提和基础之一。但目前在解决数学模型中需要输入有预期的预测精度的数据时还是会遇到困难。例如,当大量的用水者的用水需求作为优化模型的输入时,预测精度太低时优化结果可能会出现偏差。此外,不确定性也存在于水的需求中,水需求受到一些影响因子和系统组成的影响(即人类活动,社会发展,可持续性要求以及政策法规),这不仅在不确定性因子间相互作用过程中使得问题更为复杂,也使得决策者在进行水资源分配过程中的风险增加。所以,准确的预测对水资源的需求对制定有效的水资源系统相关规划很重要。而提高需水量预测精度一直是国内外学术界研究难点和热点。 支持向量机(Support V ector Machine,SVM)是根据统计学理论提出的一种新的通用学习方法,该方法采用结构风险最小化准则(Structural Risk Minimization Principle),求解二次型寻优问题,从理论上寻求全局最优解,较好地兼顾了神经网络和灰色模型的优点[1][2],克服了人工神经网络结构依赖设计者经验的缺点,具有对未来样本的较好的泛化性能,较好解决了高维数、局部极小等问题[3]。目前,SVM已成功的应用于分类、函数逼近和时间序列预测等方面,并在水科学领域中取得了一些成果,Liong[4]已将SVM应用于水文预报,周秀平等[5]已将SVM应用于径流预测,王景雷等[6]亦已将SVM应用于地下水位预报。而需水预测问题本身也可以看作是一种对需水量及其影响因子间的复杂的非线性函数关系的逼近问题,但将SVM应用于作物需水预测的研究尚处于起步阶段。本文简要介绍支持向量机并对其研究进展进行综述,最后对未来使用支持向量机预测作物需水量进行展望。 收稿日期:修订日期:1支持向量机 1.1支持向量机国内外研究现状 自 1970 年以来,V apnik[1,2]等人发展了一种新的学习机——支持向量机。与现有的学习机包括神经网络,模糊学习机,遗传算法,人工智能等相比,它具有许多的优点:坚实的理论基础和较好的推广能力、强大的非线性处理能力和高维处理能力。因此这种学习方法有着出色的学习性能,并在许多领域已得到成功应用,如人脸检测、手写体数字识别、文本自动分类、非线性回归建模与预测、优化控制数据压缩及时间序列预测等。 1998年,Alex J. Smola[7]系统地介绍了支持向量机回归问题的基本概念和求解算法。Drucher[8]将支持向量机回归模型同基于特征空间的回归树和岭回归的集成回归技术bagging做了比较;Alessandro verri[9]将支持向量机回归模型同支持向量机分类模型和禁忌搜索(basic pursuit denoising)作了比较,并且给出了贝叶斯解释。通过分析得出了如下结论:支持向量机回归模型由于不依赖于输入空间的维数,所以在高维中显示出了其优越性。为了简化支持向量机,降低其复杂性,已有了一些研究成果。比如,Burges[10]提出根据给定的支持向量机生成缩减的样本集,从而在给定的精度下简化支持向量机,但生成缩减样本集的过程也是一个优化过程,计算比较复杂;1998年Scholkopf[11]等人在目标函数中增加了参数v以控制支持向量的数目,称为v-SVR,证明了参数v与支持向量数目及误差之间的关系,但支持向量数目的减少是以增大误差为代价的。Suykens等人[12]1999年提出的最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法具有很高的学习效率,对大规模数据可采用共轭梯度法求解;田盛丰[13]等人提出了LS-SVM与序贯最优化算法(SMO)的混合算法。 1.2支持向量机在水资源领域研究现状
3.3 支持向量回归机 SVM 本身是针对经典的二分类问题提出的,支持向量回归机(Support Vector Regression ,SVR )是支持向量在函数回归领域的应用。SVR 与SVM 分类有以下不同:SVM 回归的样本点只有一类,所寻求的最优超平面不是使两类样本点分得“最开”,而是使所有样本点离超平面的“总偏差”最小。这时样本点都在两条边界线之间,求最优回归超平面同样等价于求最大间隔。 3.3.1 SVR 基本模型 对于线性情况,支持向量机函数拟合首先考虑用线性回归函数 b x x f +?=ω)(拟合n i y x i i ,...,2,1),,(=,n i R x ∈为输入量,R y i ∈为输出量,即 需要确定ω和b 。 图3-3a SVR 结构图 图3-3b ε不灵敏度函数 惩罚函数是学习模型在学习过程中对误差的一种度量,一般在模型学习前己经选定,不同的学习问题对应的损失函数一般也不同,同一学习问题选取不同的损失函数得到的模型也不一样。常用的惩罚函数形式及密度函数如表3-1。 表3-1 常用的损失函数和相应的密度函数 损失函数名称 损失函数表达式()i c ξ% 噪声密度 ()i p ξ ε -不敏感 i εξ 1 exp()2(1) i εξε-+ 拉普拉斯 i ξ 1 exp()2 i ξ- 高斯 212 i ξ 21 exp()22i ξπ -
标准支持向量机采用ε-不灵敏度函数,即假设所有训练数据在精度ε下用线性函数拟合如图(3-3a )所示, ** ()()1,2,...,,0 i i i i i i i i y f x f x y i n εξεξξξ-≤+??-≤+=??≥? (3.11) 式中,*,i i ξξ是松弛因子,当划分有误差时,ξ,*i ξ都大于0,误差不存在取0。这时,该问题转化为求优化目标函数最小化问题: ∑=++?=n i i i C R 1 ** )(21 ),,(ξξωωξξω (3.12) 式(3.12)中第一项使拟合函数更为平坦,从而提高泛化能力;第二项为减小误差;常数0>C 表示对超出误差ε的样本的惩罚程度。求解式(3.11)和式(3.12)可看出,这是一个凸二次优化问题,所以引入Lagrange 函数: * 11 ****1 1 1()[()] 2[()]() n n i i i i i i i i n n i i i i i i i i i i L C y f x y f x ωωξξαξεαξεξγξγ=====?++-+-+-+-+-+∑∑∑∑ (3.13) 式中,α,0*≥i α,i γ,0*≥i γ,为Lagrange 乘数,n i ,...,2,1=。求函数L 对ω, b ,i ξ,*i ξ的最小化,对i α,*i α,i γ,*i γ的最大化,代入Lagrange 函数得到对偶形式,最大化函数:
文章编号:100228743(2004)0320075204 用于分类的支持向量机 黄发良,钟 智Ξ (1.广西师范大学计算机系,广西桂林541000; 2.广西师范学院数学与计算机科学系,广西南宁530001) 摘 要:支持向量机是20世纪90年代中期发展起来的机器学习技术,建立在结构风险最小化原理之上的支持向量机以其独有的优点吸引着广大研究者,该文着重于用于分类的支持向量机,对其基本原理与主要的训练算法进行介绍,并对其用途作了一定的探索. 关键词:支持向量机;机器学习;分类 中图分类号:TP181 文献标识码:A 支持向量机S VM (Support Vector Machine )是AT&T Bell 实验室的V.Vapnik 提出的针对分类和回归问题的统计学习理论.由于S VM 方法具有许多引人注目的优点和有前途的实验性能,越来越受重视,该技术已成为机器学习研究领域中的热点,并取得很理想的效果,如人脸识别、手写体数字识别和网页分类等. S VM 的主要思想可以概括为两点:(1)它是针对线性可分情况进行分析,对于线性不可分的情况,通过使用非线性映射算法将低维输入空间线性不可分的样本转化为高维特征空间使其线性可分,从而使得高维特征空间采用线性算法对样本的非线性特征进行线性分析成为可能;(2)它基于结构风险最小化理论之上在特征空间中建构最优分割超平面,使得学习器得到全局最优化,并且在整个样本空间的期望风险以某个概率满足一定上界. 1 基本原理 支持向量机理论最初来源于数据分类问题的处理,S VM 就是要寻找一个满足要求的分割平面,使训练集中的点距离该平面尽可能地远,即寻求一个分割平面使其两侧的margin 尽可能最大. 设输入模式集合{x i }∈R n 由两类点组成,如果x i 属于第1类,则y i =1,如果x i 属于第2类,则y i =-1,那么有训练样本集合{x i ,y i },i =1,2,3,…,n ,支持向量机的目标就是要根据结构风险最小化原理,构造一个目标函数将两类模式尽可能地区分开来,通常分为两类情况来讨论,(1)线性可分,(2)线性不可分. 1.1 线性可分情况 在线性可分的情况下,就会存在一个超平面使得训练样本完全分开,该超平面可描述为: w ?x +b =0(1) 其中,“?”是点积,w 是n 维向量,b 为偏移量. 最优超平面是使得每一类数据与超平面距离最近的向量与超平面之间的距离最大的这样的平面.最优超平面可以通过解下面的二次优化问题来获得: min <(w )= 12‖w ‖2(2) Ξ收稿日期:2004202206作者简介:黄发良(1975-),男,湖南永州人,硕士研究生;研究方向:数据挖掘、web 信息检索. 2004年9月 广西师范学院学报(自然科学版)Sep.2004 第21卷第3期 Journal of G u angxi T eachers Education U niversity(N atural Science Edition) V ol.21N o.3
2007,43(5)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用 1问题的提出 航空公司在客舱服务部逐步实行“费用包干”政策,即:综合各方面的因素,总公司每年给客舱服务部一定额度的经费,由客舱服务部提供客舱服务,而客舱服务产生的所有费用,由客舱服务部在“费用包干额度”中自行支配。新的政策既给客舱服务部的管理带来了机遇,同时也带来了很大的挑战。通过“费用包干”政策的实施,公司希望能够充分调用客舱服务部的积极性和主动性,进一步改进管理手段,促进新的现代化管理机制的形成。 为了进行合理的分配,必须首先搞清楚部门的各项成本、成本构成、成本之间的相互关系。本文首先对成本组成进行分析,然后用回归模型和支持向量机预测模型对未来的成本进行预测[1-3],并对预测结果的评价和选取情况进行了分析。 2问题的分析 由于客舱服务部的特殊性,“费用包干”政策的一项重要内容就集中在小时费的重新分配问题上,因为作为客舱乘务员的主要组成部分—— —“老合同”员工的基本工资、年龄工资以及一些补贴都有相应的政策对应,属于相对固定的部分,至少目前还不是调整的最好时机。乘务员的小时费收入则是根据各自的飞行小时来确定的变动收入,是当前可以灵活调整的部分。实际上,对于绝大多数员工来说,小时费是其主要的收入部分,因此,用于反映乘务人员劳动强度的小时费就必然地成为改革的重要部分。 现在知道飞行小时和客万公里可能和未来的成本支出有关系,在当前的数据库中有以往的飞行小时(月)数据以及客万公里数据,并且同时知道各月的支出成本,现在希望预测在知道未来计划飞行小时和市场部门希望达到的客万公里的情况下的成本支出。 根据我们对问题的了解,可以先建立这个部门的成本层次模型,搞清楚部门的各项成本、成本构成、成本之间的相互关系。这样,可以对部门成本支出建立一个层次模型:人力资源成本、单独预算成本、管理成本,这三个部分又可以分别继续分层 次细分,如图1所示。 基于支持向量机回归模型的海量数据预测 郭水霞1,王一夫1,陈安2 GUOShui-xia1,WANGYi-fu1,CHENAn2 1.湖南师范大学数学与计算机科学学院,长沙410081 2.中国科学院科技政策与管理科学研究所,北京100080 1.CollegeofMath.andComputer,HunanNormalUniversity,Changsha410081,China 2.InstituteofPolicyandManagement,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China E-mail:guoshuixia@sina.com GUOShui-xia,WANGYi-fu,CHENAn.Predictiononhugedatabaseontheregressionmodelofsupportvectormachine.ComputerEngineeringandApplications,2007,43(5):12-14. Abstract:Asanimportantmethodandtechnique,predictionhasbeenwidelyappliedinmanyareas.Withtheincreasingamountofdata,predictionfromhugedatabasebecomesmoreandmoreimportant.Basedonthebasicprincipleofvectormachineandim-plementarithmetic,apredictionsysteminfrastructureonanaircompanyisproposedinthispaper.Lastly,therulesofevaluationandselectionofthepredictionmodelsarediscussed. Keywords:prediction;datamining;supportvectormachine;regressionmodel 摘要:预测是很多行业都需要的一项方法和技术,随着数据积累的越来越多,基于海量数据的预测越来越重要,在介绍支持向量机基本原理和实现算法的基础上,给出了航空服务成本预测模型,最后对预测结果的评价和选取情况进行了分析。 关键词:预测;数据挖掘;支持向量机;回归模型 文章编号:1002-8331(2007)05-0012-03文献标识码:A中图分类号:TP18 基金项目:国家自然科学基金(theNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.10571051);湖南省教育厅资助科研课题(theResearchProjectofDepartmentofEducationofHunanProvince,ChinaunderGrantNo.06C523)。 作者简介:郭水霞(1975-),女,博士生,讲师,主要研究领域为统计分析;王一夫(1971-),男,博士生,副教授,主要研究领域为计算机应用技术,软件工程技术;陈安(1970-),男,副研究员,主要研究领域为数据挖掘与决策分析。 12
Modeler 支持向量机模型评估银行客户信用 本文要介绍的预测分析模型是“支持向量机模型”,我们将为大家简要介绍支持向量机模型的理论,然后结合IBM SPSS Modeler 产品详细讲述如何利用支持向量机模型来解决客户的具体商业问题—银行如何评估客户信用 银行典型案例 商业银行个人信用评估就是根据个人信息和借贷记录等历史数据,判断个人信用,它是保证信贷安全的重要一环。但是商业银行用于信用评估的数据往往具有特性不稳定,历史样本容量较小,指标较多,呈明显的非正态分布。这些特点导致很难利用一般的统计技术进行有效的评估。支持向量机模型( 简称SVM) 能够很好的处理此类数据,进行有效的信用评估。本文介绍了SVM 的基本概念以及Modeler 中使用SVM 进行信用评估的基本步骤和方法,并对结果进行分析和应用 支持向量机模型简介 支持向量机(Support Vector Machine, 简称SVM) 是一项功能强大的分类和回归技术,可最大化模型的预测准确度。与其他常用模型不同,SVM 一个优势就是能很好的处理小样本,高维数,非正态的数据。 SVM 的工作原理是将原始数据通过变换映射到高维特征空间,这样即使数据不是线性可分,也可以对该数据点进行分类。之后,使用变换后的新数据的进行预测分类。例如,图 1 中的数据点落到了两个不同的类别中,可以用一条曲线分隔这两个类别。对数据使用某种数学函数变换后,可以用超平面定义这两个类别之间的边界。 图 1. 数据变换后线性可分示意图
用于变换的数学函数称为核函数。IBM SPSS Modeler 中的SVM 支持下列核函数类型: ?线性 ?多项式 ?径向基函数(RBF) ?Sigmoid 如果数据的线性分隔比较简单,则建议使用线性核函数。在其他情况下,应当使用其他核函数。在所有情况下,最好尝试使用不同的核函数,才能从中找出最佳模型,因为每一个函数均使用不同的算法和参数。 回页首 使用IBM SPSS Modeler 支持向量机模型评估客户信用 IBM SPSS Modeler 中的SVM 提供了可视化的操作方法,具有界面友好,操作方便的特点。此节,介绍如何使用IBM SPSS Modeler SVM 评估客户信用。操作步骤分为: ?创建基本流(Modeler Stream),建立模型;
支持向量机SVM分类算法 SVM的简介 支持向量机(Support Vector Machine)是Cortes和Vapnik于1995年首先提出的,它在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势,并能够推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中[10]。 支持向量机方法是建立在统计学习理论的VC 维理论和结构风险最小原理基础上的,根据有限的样本信息在模型的复杂性(即对特定训练样本的学习精度,Accuracy)和学习能力(即无错误地识别任意样本的能力)之间寻求最佳折衷,以期获得最好的推广能力[14](或称泛化能力)。 以上是经常被有关SVM 的学术文献引用的介绍,我来逐一分解并解释一下。 Vapnik是统计机器学习的大牛,这想必都不用说,他出版的《Statistical Learning Theory》是一本完整阐述统计机器学习思想的名著。在该书中详细的论证了统计机器学习之所以区别于传统机器学习的本质,就在于统计机器学习能够精确的给出学习效果,能够解答需要的样本数等等一系列问题。与统计机器学习的精密思维相比,传统的机器学习基本上属于摸着石头过河,用传统的机器学习方法构造分类系统完全成了一种技巧,一个人做的结果可能很好,另一个人差不多的方法做出来却很差,缺乏指导和原则。所谓VC维是对函数类的一种度量,可以简单的理解为问题的复杂程度,VC维越高,一个问题就越复杂。正是因为SVM关注的是VC维,后面我们可以看到,SVM解决问题的时候,和样本的维数是无关的(甚至样本是上万维的都可以,这使得SVM很适合用来解决文本分类的问题,当然,有这样的能力也因为引入了核函数)。 结构风险最小听上去文绉绉,其实说的也无非是下面这回事。 机器学习本质上就是一种对问题真实模型的逼近(我们选择一个我们认为比较好的近似模型,这个近似模型就叫做一个假设),但毫无疑问,真实模型一定是不知道的(如果知道了,我们干吗还要机器学习?直接用真实模型解决问题不就可以了?对吧,哈哈)既然真实模型不知道,那么我们选择的假设与问题真实解之间究竟有多大差距,我们就没法得知。比如说我们认为宇宙诞生于150亿年前的一场大爆炸,这个假设能够描述很多我们观察到的现象,但它与真实的宇宙模型之间还相差多少?谁也说不清,因为我们压根就不知道真实的宇宙模型到底是什么。 这个与问题真实解之间的误差,就叫做风险(更严格的说,误差的累积叫做风险)。我们选择了一个假设之后(更直观点说,我们得到了一个分类器以后),真实误差无从得知,但我们可以用某些可以掌握的量来逼近它。最直观的想法就是使用分类器在样本数据上的分类的结果与真实结果(因为样本是已经标注过的数据,是准确的数据)之间的差值来表示。这个差值叫做经验风险Remp(w)。以前的机器学习方法都把经验风险最小化作为努力的目标,但后来发现很多分类函数能够在样本集上轻易达到100%的正确率,在真实分类时却一塌糊涂(即所谓的推广能力差,或泛化能力差)。此时的情况便是选择了一个足够复杂的分类函数(它的VC维很高),能够精确的记住每一个样本,但对样本之外的数据一律分类错误。回头看看经验风险最小化原则我们就会发现,此原则适用的大前提是经验风险要确实能够逼近真实风险才行(行话叫一致),但实际上能逼近么?答案是不能,因为样本数相对于现实世界要分类的文本数来说简直九牛
实验四-支持向量机
实验四:支持向量机 班级姓名学号指导老师 一.实验目的 1.了解基有关支持向量机的基本原理 2.能够使用支持向量机的代码解决分类与回归问题 3.了解图像分类的基本原理 二、实验的硬件、软件平台 硬件:计算机 软件:操作系统win10 应用软件:Java 三、实验原理 四、1. LIBSVM 使用方法简介 五、LibSVM是以源代码和可执行文件两种方式给出的。如果是Windows系列操作系统,可以直接使用软件包提供的程序,也可以进行修改编译;如果是Unix类系统,必须自己编译。 六、LIBSVM 在给出源代码的同时还提供了Windows操作系统下的可执行文件,包括:进行支持向量机训练的svmtrain.exe;根据已获得的支持向量机模型对数据集进行预测的svmpredict.exe;以及对训练数据与测试数据进行简单缩放操作的svmscale.exe。它们都可以直接在DOS 环境中使用。如果下载的包中只有C++的源代码,则也可以自己在VC等软件上编译生成可执行文件。七、 八、2. LIBSVM 使用的一般步骤是: 九、1)按照LIBSVM软件包所要求的格式准备数据集; 十、2)对数据进行简单的缩放操作; 十一、3)考虑选用RBF 核函数; 十二、4)采用交叉验证选择最佳参数C与g ; 十三、5)采用最佳参数C与g 对整个训练集进行训练获取支持向量机模型; 十四、6)利用获取的模型进行测试与预测。 十五、 十六、3. LIBSVM使用的数据格式 十七、1)训练数据和检验数据文件格式如下: 十八、
ENVI4.3 支持向量机分类原理、操作及实例分析 一、支持向量机算法介绍 1.支持向量机算法的理论背景 支持向量机分类(Support Vector Machine或SVM)是一种建立在统计学习理论(Statistical Learning Theory或SLT)基础上的机器学习方法。 与传统统计学相比,统计学习理论(SLT)是一种专门研究小样本情况下及其学习规律的理论。该理论是建立在一套较坚实的理论基础之上的,为解决有限样本学习问题提供了一个统一的框架。它能将许多现有方法纳入其中,有望帮助解决许多原来难以解决的问题,如神经网络结构选择问题、局部极小点问题等;同时,在这一理论基础上发展了一种新的通用学习方法——支持向量机(SVM),已初步表现出很多优于已有方法的性能。一些学者认为,SLT和SVM正在成为继神经网络研究之后新的研究热点,并将推动机器学习理论和技术的重大发展。 支持向量机方法是建立在统计学习理论的VC维(VC Dimension)理论和结构风险最小原理基础上的,根据有限的样本信息在模型的复杂性(即对特定训练样本的学习精度)和学习能力(即无错误地识别任意样本的能力)之间寻求最佳折衷,以期获得最好的推广能力。 支持向量机的几个主要优点有: (1)它是专门针对有限样本情况的,其目标是得到现有信息下的最优解而不仅仅是样本数趋于无穷大时的最优值; (2)算法最终将转化成为一个二次型寻优问题,从理论上说,得到的将是全局最优点,解决了在神经网络方法中无法避免的局部极值问题; (3)算法将实际问题通过非线性变换转换到高维的特征空间(Feature Space),在高维空间中构造线性判别函数来实现原空间中的非线性判别函数,特殊性质能保证机器有较 好的推广能力,同时它巧妙地解决了维数问题,其算法复杂度与样本维数无关; 2.支持向量机算法简介 通过学习算法,SVM可以自动寻找那些对分类有较大区分能力的支持向量,由此构造出分类器,可以将类与类之间的间隔最大化,因而有较好的推广性和较高的分类准确率。 最优分类面(超平面)和支持向量