TensorFlow HOWTO 2.1 支援向量分類（軟間隔）

摘要： 在傳統機器學習方法，支援向量機算是比較厲害的方法，但是計算過程非常複雜。軟間隔支援向量機通過減弱了其約束，使計算變得簡單。 操作步驟 匯入所需的包。 import tensorflow as tf import numpy as np import matplotlib as mp...

在傳統機器學習方法，支援向量機算是比較厲害的方法，但是計算過程非常複雜。軟間隔支援向量機通過減弱了其約束，使計算變得簡單。

操作步驟

匯入所需的包。

import tensorflow as tf
import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import sklearn.datasets as ds
import sklearn.model_selection as ms

匯入資料，並進行預處理。我們使用鳶尾花資料集所有樣本，根據萼片長度和花瓣長度預測樣本是不是山鳶尾（第一種）。注意，支援向量機只接受 1 和 -1 的標籤。

iris = ds.load_iris()

x_ = iris.data[:, [0, 2]]
y_ = (iris.target == 0).astype(int)
y_[y_ == 0] = -1
y_ = np.expand_dims(y_ , 1)

x_train, x_test, y_train, y_test = \
ms.train_test_split(x_, y_, train_size=0.7, test_size=0.3)

定義超引數。

變數	含義
n_input	樣本特徵數
n_epoch	迭代數
lr	學習率
lam	L2 正則化項的係數

n_input = 2
n_epoch = 2000
lr = 0.05
lam = 0.05

搭建模型。

變數	含義
x	輸入
y	真實標籤
w	權重
b	偏置
z	x 的線性變換

x = tf.placeholder(tf.float64, [None, n_input])
y = tf.placeholder(tf.float64, [None, 1])
w = tf.Variable(np.random.rand(n_input, 1))
b = tf.Variable(np.random.rand(1, 1))
z = x @ w + b

定義損失、優化操作、和準確率度量指標。分類問題有很多指標，這裡只展示一種。

我們使用 Hinge 損失和 L2 損失的組合。Hinge 損失為：

在原始的模型中，約束是樣本必須落在支援邊界之外，也就是 。我們將這個約束加到損失中，就得到了 Hinge 損失。它的意思是，對於滿足約束的點，它的損失是零，對於不滿足約束的點，它的損失是 。這樣讓樣本儘可能到支援邊界之外。

L2 損失用於最小化支援邊界的幾何距離，也就是 。

變數	含義
hinge_loss	Hinge 損失
l2_loss	L2 損失
loss	總損失
op	優化操作
y_hat	標籤的預測值
acc	準確率

hinge_loss = tf.reduce_mean(tf.maximum(1 - y * z, 0))
l2_loss = lam * tf.reduce_sum(w ** 2)
loss = hinge_loss + l2_loss
op = tf.train.AdamOptimizer(lr).minimize(loss)

y_hat = tf.to_double(z > 0) - tf.to_double(z <= 0)
acc = tf.reduce_mean(tf.to_double(tf.equal(y_hat, y)))

使用訓練集訓練模型。

losses = []
accs = []

with tf.Session() as sess:
sess.run(tf.global_variables_initializer())
saver = tf.train.Saver(max_to_keep=1)

for e in range(n_epoch):
_, loss_ = sess.run([op, loss], feed_dict={x: x_train, y: y_train})
losses.append(loss_)

使用測試集計算準確率。

acc_ = sess.run(acc, feed_dict={x: x_test, y: y_test})
accs.append(acc_)

每一百步列印損失和度量值。

if e % 100 == 0:
print(f'epoch: {e}, loss: {loss_}, acc: {acc_}')
saver.save(sess,'logit/logit', global_step=e)

得到決策邊界：

x_plt = x_[:, 0]
y_plt = x_[:, 1]
c_plt = y_.ravel()
x_min = x_plt.min() - 1
x_max = x_plt.max() + 1
y_min = y_plt.min() - 1
y_max = y_plt.max() + 1
x_rng = np.arange(x_min, x_max, 0.05)
y_rng = np.arange(y_min, y_max, 0.05)
x_rng, y_rng = np.meshgrid(x_rng, y_rng)
model_input = np.asarray([x_rng.ravel(), y_rng.ravel()]).T
model_output = sess.run(y_hat, feed_dict={x: model_input}).astype(int)
c_rng = model_output.reshape(x_rng.shape)

輸出：

epoch: 0, loss: 4.511212919815273, acc: 0.2222222222222222
epoch: 100, loss: 0.0814942611949705, acc: 1.0
epoch: 200, loss: 0.07629443566925993, acc: 1.0
epoch: 300, loss: 0.07146107394130172, acc: 1.0
epoch: 400, loss: 0.06791927215796319, acc: 1.0
epoch: 500, loss: 0.06529065400047798, acc: 1.0
epoch: 600, loss: 0.06335060635876646, acc: 1.0
epoch: 700, loss: 0.061836271593737835, acc: 1.0
epoch: 800, loss: 0.06079800773555345, acc: 1.0
epoch: 900, loss: 0.06042716484730995, acc: 1.0
epoch: 1000, loss: 0.06091475237291386, acc: 1.0
epoch: 1100, loss: 0.06021069445352348, acc: 1.0
epoch: 1200, loss: 0.06019457351257251, acc: 1.0
epoch: 1300, loss: 0.06000348375369489, acc: 1.0
epoch: 1400, loss: 0.060206981088196394, acc: 1.0
epoch: 1500, loss: 0.060210741691625935, acc: 1.0
epoch: 1600, loss: 0.060570783158962985, acc: 1.0
epoch: 1700, loss: 0.06003457018203537, acc: 1.0
epoch: 1800, loss: 0.060203912161627175, acc: 1.0
epoch: 1900, loss: 0.06019910894894441, acc: 1.0

繪製整個資料集以及決策邊界。

plt.figure()
cmap = mpl.colors.ListedColormap(['r', 'b'])
plt.scatter(x_plt, y_plt, c=c_plt, cmap=cmap)
plt.contourf(x_rng, y_rng, c_rng, alpha=0.2, linewidth=5, cmap=cmap)
plt.title('Data and Model')
plt.xlabel('Petal Length (cm)')
plt.ylabel('Sepal Length (cm)')
plt.show()

繪製訓練集上的損失。

plt.figure()
plt.plot(losses)
plt.title('Loss on Training Set')
plt.xlabel('#epoch')
plt.ylabel('Cross Entropy')
plt.show()

繪製測試集上的準確率。

plt.figure()
plt.plot(accs)
plt.title('Accurary on Testing Set')
plt.xlabel('#epoch')
plt.ylabel('Accurary')
plt.show()

擴充套件閱讀

• ofollow,noindex">斯坦福 CS229 筆記：十二、支援向量機
• Wikipedia: Support vector machine