【机器学习】自定义数据集 使用scikit-learn中svm的包实现svm分类

一、支持向量机(support vector machines. ,SVM)概念

1. SVM 绪论

支持向量机(SVM)的核心思想是找到一个最优的超平面,将不同类别的数据点分开。SVM 的关键特点包括:

① 分类与回归:

  • SVM 可以用于分类(SVC, Support Vector Classification)和回归(SVR, Support Vector Regression)。

  • 分类任务中,SVM 通过找到一个超平面,最大化不同类别之间的间隔(margin)。

  • 回归任务中,SVM 通过找到一个超平面,使得数据点尽可能接近该超平面。

② 核函数(Kernel):

  • SVM 通过核函数将数据映射到高维空间,从而解决非线性问题。

  • 常用的核函数包括:

线性核(linear)

多项式核(poly)

径向基核(RBF, rbf)

Sigmoid 核(sigmoid)

③ 支持向量:

  • 支持向量是离超平面最近的数据点,它们决定了超平面的位置和方向。

2. scikit-learn 中的SVM包

① SVC:

  • 用于分类任务的支持向量机。

  • 主要参数:

kernel:核函数类型(如 'linear'、'rbf' 等)。

C:正则化参数,控制模型的复杂度。

gamma:核函数的系数(仅对 'rbf'、'poly' 和 'sigmoid' 核有效)。

② SVR:

  • 用于回归任务的支持向量机。

  • 主要参数与 SVC 类似。

③ LinearSVC:

  • 线性支持向量分类器,专门用于线性核的 SVM。

  • 比 SVC(kernel='linear') 更高效。

④ LinearSVR:

  • 线性支持向量回归器,专门用于线性核的 SVM 回归。

**3.**SVM包中的主要参数

① kernel:

  • 核函数类型,默认为 'rbf'。

  • 可选值:'linear'、'poly'、'rbf'、'sigmoid' 或自定义核函数。

② C:

  • 正则化参数,默认为 1.0。

  • 较小的 C 值表示更强的正则化,较大的 C 值表示更弱的正则化。

③ gamma:

  • 核函数的系数,默认为 'scale'(即 1 / (n_features * X.var()))。

  • 较小的 gamma 值表示核函数的影响范围较大,较大的 gamma 值表示核函数的影响范围较小。

④ degree:

  • 多项式核的阶数,默认为 3。

  • 仅对 kernel='poly' 有效。

⑤ probability:

  • 是否启用概率估计,默认为 False。

  • 如果为 True,可以使用 predict_proba 方法获取类别概率。

4. SVM示例代码

python 复制代码
import numpy as np
from sklearn.svm import SVC
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 自定义数据集
np.random.seed(42)
X = np.random.randn(100, 2)  # 100 个样本,每个样本有 2 个特征
y = (X[:, 0] + X[:, 1] > 0).astype(np.int32)  # 根据特征的线性组合生成标签

# 2. 初始化 SVM 模型
svm_model = SVC(kernel='linear', C=1.0, random_state=42)

# 3. 训练模型
svm_model.fit(X, y)

# 4. 可视化决策边界
def plot_decision_boundary(model, X, y):
    # 创建网格点
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, 0.01),
                         np.arange(y_min, y_max, 0.01))
    
    # 预测网格点的类别
    Z = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    
    # 绘制决策边界
    plt.contourf(xx, yy, Z, alpha=0.8, cmap='viridis')
    # 绘制样本点
    plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, edgecolors='k', marker='o', cmap='viridis')
    plt.title("SVM 决策边界")
    plt.xlabel("特征 1")
    plt.ylabel("特征 2")
    plt.show()

# 可视化决策边界
plot_decision_boundary(svm_model, X, y)

二、SVM类型

1. 线性可分支持向量机(Linear Separable SVM)

① 定义

  • 适用于数据 线性可分 的情况,即存在一个超平面可以将不同类别的样本完全分开。

  • 目标是找到一个最优超平面,使得两类样本之间的间隔(margin)最大化。

② 数学形式

  • 超平面方程:w⋅x+b=0,其中:

w 是法向量,决定了超平面的方向。

b 是偏置项,决定了超平面的位置。

  • 优化目标:
  • 约束条件:

其中 是样本的类别标签。

③ 特点

  • 适用于数据完全线性可分的情况。

  • 通过最大化间隔,提高模型的泛化能力。

2. 线性支持向量机(Linear SVM)

① 定义

  • 适用于数据 近似线性可分 的情况,即数据中存在少量噪声或异常点,无法完全分开。

  • 引入 松弛变量(slack variables),允许部分样本违反间隔约束。

② 数学形式

  • 优化目标:
  • 约束条件:

其中:

是松弛变量,表示第个样本违反间隔约束的程度。

是正则化参数,控制模型对误分类的惩罚力度。

③ 特点

  • 通过引入松弛变量,允许部分样本误分类,提高模型的鲁棒性。

  • 适用于数据近似线性可分的情况。

3. 非线性支持向量机(Nonlinear SVM)

① 定义

  • 适用于数据 非线性可分 的情况,即无法通过一个超平面将不同类别的样本分开。

  • 通过 核函数(Kernel Function) 将数据映射到高维空间,使得数据在高维空间中线性可分。

② 数学形式

  • 核函数的作用是将原始特征空间映射到高维特征空间:

其中,甚至可以是无限维。

  • 优化目标:
  • 约束条件:

③ 常用核函数

  • 线性核(Linear Kernel):
  • 多项式核(Polynomial Kernel):
  • 径向基核(RBF Kernel):
  • Sigmoid 核(Sigmoid Kernel):

④ 特点

  • 通过核函数,可以处理非线性可分的数据。

  • 核函数的选择对模型性能有重要影响。

4. 总结

类型 适用场景 核心思想 关键参数/技术
线性可分支持向量机 数据完全线性可分 最大化间隔 无松弛变量
线性支持向量机 数据近似线性可分 允许部分样本误分类 松弛变量、正则化参数 C
非线性支持向量机 数据非线性可分 通过核函数映射到高维空间 核函数、正则化参数 C
  • 线性可分支持向量机 是理想情况,现实中较少见。

  • 线性支持向量机 通过引入松弛变量,提高了模型的鲁棒性。

  • 非线性支持向量机 通过核函数,可以处理复杂的非线性问题。

三、自定义数据集 使用scikit-learn中svm的包实现svm分类

1. 代码示例

python 复制代码
import numpy as np
from sklearn.svm import SVC
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 自定义数据集
# 生成 200 个样本,每个样本有 2 个特征
np.random.seed(42)  # 设置随机种子以确保结果可重复
X = np.random.randn(200, 2).astype(np.float32)
# 根据特征的线性组合生成标签,大于 0 标记为 1,否则标记为 0
y = (2 * X[:, 0] + 3 * X[:, 1] > 0).astype(np.int32)

# 2. 初始化 SVM 模型
# 使用线性核函数
svm_model = SVC(kernel='linear', random_state=42)

# 3. 训练模型
svm_model.fit(X, y)

# 4. 可视化决策边界和支持向量
def plot_decision_boundary(model, X, y):
    # 创建网格点
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, 0.01),
                         np.arange(y_min, y_max, 0.01))
    
    # 预测网格点的类别
    Z = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    
    # 绘制决策边界
    plt.contourf(xx, yy, Z, alpha=0.8, cmap='viridis')
    # 绘制样本点
    plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, edgecolors='k', marker='o', cmap='viridis')
    # 绘制支持向量
    plt.scatter(model.support_vectors_[:, 0], model.support_vectors_[:, 1],
                s=100, facecolors='none', edgecolors='r', label='支持向量')
    plt.title("SVM 决策边界")
    plt.xlabel("特征 1")
    plt.ylabel("特征 2")
    plt.legend()
    plt.show()

# 可视化训练集的决策边界和支持向量
plot_decision_boundary(svm_model, X, y)

2. 代码解释

① 自定义数据集:

  • X = np.random.randn(200, 2).astype(np.float32):

生成 200 个样本,每个样本有 2 个特征。

使用 np.random.randn 生成符合标准正态分布的随机数。

astype(np.float32) 将数据类型转换为 32 位浮点数。

  • y = (2 * X[:, 0] + 3 * X[:, 1] > 0).astype(np.int32):

根据特征的线性组合生成标签。

公式 2 * X[:, 0] + 3 * X[:, 1] > 0 表示特征的线性组合是否大于 0。

大于 0 的样本标记为 1,否则标记为 0。

astype(np.int32) 将标签转换为 32 位整数。

② 初始化 SVM 模型:

  • svm_model = SVC(kernel='linear', random_state=42):

使用线性核函数初始化 SVM 模型。

kernel='linear' 表示使用线性核函数。

random_state=42 确保每次运行代码时结果一致。

③ 训练模型:

  • svm_model.fit(X, y):

使用训练集数据训练 SVM 模型。

④ 可视化决策边界和支持向量:

  • plot_decision_boundary 函数:

绘制 SVM 的决策边界和支持向量。

使用 np.meshgrid 创建网格点,覆盖整个特征空间。

使用 model.predict 预测网格点的类别。

使用 plt.contourf 绘制决策边界。

使用 plt.scatter 绘制样本点和支持向量。

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