Least Squares Support Vector
最小二乘支持向量机
LeastSquaresSupportVectorMachines
JohanSuykens
K.U.LeuvenESAT-SCD-SISTA
KasteelparkArenberg10
B-3001Leuven(Heverlee),Belgium
Tel:32/16/321802-Fax:32/16/321970
Email:johan.suykens@esat.kuleuven.ac.be
http://www.esat.kuleuven.ac.be/sista/members/suykens.htmlNATO-ASILearningTheoryandPracticeLeuvenJuly2002
http://www.esat.kuleuven.ac.be/sista/natoasi/ltp2002.html
最小二乘支持向量机
Mainreference:
J.A.K.Suykens,T.VanGestel,J.DeBrabanter,B.DeMoor,J.Vandewalle,LeastSquaresSupportVectorMa-chines,WorldScienti c,inpress(ISBN981-238-151-1)
RelatedsoftwareLS-SVMlab(Matlab/Ctoolbox):
http://www.esat.kuleuven.ac.be/sista/lssvmlab/
(software+publications)
...withthankstoKristiaanPelckmans,BartHamers,Lukas,LucHoe-gaerts,ChuanLu,LievekeAmeye,SabineVanHu el,GertLanckriet,TijlDeBieandmanyothers
最小二乘支持向量机
Interdisciplinarychallenges
LS-SVMmathematics
Oneoftheoriginaldreamsintheneuralnetworksareaistomakeauniversalclassofmodels(suchasMLPs)generallyapplicabletoawiderangeofapplications.
Presently,standardSVMsaremainlyavailableonlyforclassi ca-tion,functionestimationanddensityestimation.However,severalextensionsarepossibleintermsofleastsquaresandequalitycon-straints(andexploitingprimal-dualinterpretations).
最小二乘支持向量机
Overviewofthistalk
LS-SVMforclassi cationandlinkwithkernelFisherdiscrimi-nantanalysis
LinkstoregularizationnetworksandGaussianprocesses BayesianinferenceforLS-SVMs
Sparsenessandrobustness
Largescalemethods:FixedSizeLS-SVM
Extensionstocommitteenetworks
NewformulationstokernelPCA,kernelCCA,kernelPLS ExtensionsofLS-SVMtorecurrentnetworksandoptimalcon-trol
最小二乘支持向量机
Vapnik’sSVMclassi er
Givenatrainingset{xk,yk}Nk=1Inputpatternsxk∈Rn
Classlabelsyk∈Rwhereyk∈{ 1,+1}
Classi er:y(x)=sign[wT (x)+b]
with (·):Rn→Rnhmappingtohighdimensionalfeaturespace(canbein nitedimensional)
Forseparabledata,assume Tw (xk)+b≥+1,
wT (xk)+b≤ 1,
whichisequivalenttoifyk=+1ifyk= 1
yk[wT (xk)+b]≥1,k=1,...,N
Optimizationproblem(non-separablecase):
1TminJ(w,ξ)=ww+cw,ξ2
subjectto N k=1ξk
yk[wT (xk)+b]≥1 ξk,k=1,...,N
ξk≥0,k=1,...,N.
最小二乘支持向量机
ConstructLagrangian:
L(w,b,ξ;α,ν)=J(w,ξk)
SolutiongivenbysaddlepointofLagrangian:maxminL(w,b,ξ;α,ν)α,νw,b,ξ
N k=1withLagrangemultipliersαk≥0,νk≥0(k=1,...,N).N k=1αk{yk[wT (xk)+b] 1+ξk} N k=1νkξkOneobtains =0→w=N k=1αkyk (xk) L=0→αkyk=0
k=0→0≤αk≤c,k=1,...,N
Quadraticprogrammingproblem(Dualproblem):
k,l=1
suchthatNN 1maxQ(α)= ykylK(xk,xl)αkαl+αkαk2k=1 N αkyk=0 k=1
0≤αk≤c,k=1,...,N.
最小二乘支持向量机
Note:wand (xk)arenotcalculated.
Mercercondition:K(xk,xl)= (xk)T (xl)
N k=1 Obtainedclassi er:y(x)=sign[αkykK(x,xk)+b]
withαkpositiverealconstants,brealconstant,thatfollowassolutiontotheQPproblem.
Non-zeroαkarecalledsupportvaluesandthecorrespondingdatapointsarecalledsupportvectors.
ThebiastermbfollowsfromKKTconditions.
SomepossiblekernelsK(·,·):
K(x,xk)=xTkx(linearSVM)
dx+1)(polynomialSVMofdegreed)K(x,xk)=(xTk
2K(x,xk)=exp{ x xk 2/σ}(RBFSVM)2
K(x,xk)=tanh(κxTkx+θ)(MLPSVM)
InthecaseofRBFandMLPkernel,thenumberofhiddenunitscorrespondstothenumberofsupportvectors.
最小二乘支持向量机
Featurespaceandkerneltrick
Featurespace
=
K(x,z) (x)T
(z
最小二乘支持向量机
Primal-dualinterpretationsofSVMs
#sv
最小二乘支持向量机
LeastSquaresSVMclassi ers
LS-SVMclassi ers(Suykens,1999):closetoVapnik’sSVMformulationbutsolveslinearsysteminsteadofQPproblem. Optimizationproblem:
1TminJ(w,b,e)=ww+γw,b,e22
subjecttotheequalityconstraintsN 1k=1e2k
yk[wT (xk)+b]=1 ek,k=1,...,N.
Lagrangian
L(w,b,e;α)=J(w,b,e)
whereαkareLagrangemultipliers.
Conditionsforoptimality: N L αkyk (xk)=0→w= k=1 N αkyk=0=0→ k=1 =0→αk=γek,k=1,...,N k =0→y[wT (x)+b] 1+e=0,k=1,...,NkkkkN k=1αk{yk[wT (xk)+b] 1+ek}
最小二乘支持向量机
Setoflinearequations(insteadofQP): 0I00 ZTw 000 YT b 0 = I e 0 00γIZYI0α1
with
Z=[ (x1)Ty1;...; (xN)TyN]
Y=[y1;...;yN] 1=[1;...;1]
e=[e1;...;eN]
α=[α1;...;αN].
Aftereliminationofw,eoneobtains T00Yb=.Y +γIα1
where
=ZZT
andMercer’sconditionisapplied
kl=ykyl (xk)T (xl)
=ykylK(xk,xl).
Relatedwork:Saunders(1998),Smola&Sch¨olkopf(1998),Cristianini&Taylor(2000)
最小二乘支持向量机
LargescaleLS-SVMs
Forthebinaryclasscase:probleminvolvesmatrixofsize(N+1)×(N+1).
Largedatasets→iterativemethodsneeded(CG,SOR,...) Problem:solving
Ax=BA∈Rn×n,B∈Rn
byCGrequiresthatAissymmetricpositivede nite. Representtheoriginal 0problemYT ξof1 theform d1
YHξ2=d2
withH = +γ 1I,ξ1=b,ξ2=α,d1=0,d2
s0 ξ1 = 1as d1+YTH 1d2
0Hξ2+H 1Yξ1=d2
withs=YTH 1Y>0(H=HT>0).
Iterativemethodscanbeappliedtothelatterproblem. Convergence(henceitdependsofCGondependsγ,σ)onconditionnumber
最小二乘支持向量机
FisherDiscriminantAnalysis Projectionofdata:
z=f(x)=wTx+b
OptimizeRayleighquotient:wTΣwmaxJFD(w,b)=Tw,bwΣW
w
最小二乘支持向量机
最小二乘支持向量机
Atwospiralclassi cationproblem
Di cultproblemforMLPs,notforSVMorLS-SVMwithRBFkernel(buteasyinthesensethatthetwoclassesareseparable)
最小二乘支持向量机
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