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SVM 的核函数组合运用

演示程序运行

python main.py

注意安装依赖

SVM、SVC 的核函数方法签名

SVM、SVM 允许自行定义核函数，对输入输出的参数说明如下

def my_kernel(X: np.ndarry, Y: np.ndarry)->np.ndarry:

补充：

  • X 的形状为 (N, K)
  • Y 的形状为** (M,K)**
  • 返回的形状要求为** (N, M)**

## 一个简单的示例 假设数据集的特征数量为 2 ```python def naive_kernel(X: np.ndarry, Y: np.ndarry)->np.ndarry: """ (2 0) k(X, Y) = X ( ) Y.T (0 1) """ M = np.array([[2, 0], [0, 1.0]]) return np.dot(np.dot(X, M), Y.T) ``` # 已有核函数 位于`sklearn.metrics.pairwise` 下

例如：

  • 高斯核 rbf_kernel
  • 多项式核 polynomial_kernel
  • 线性核 linear_kernel
  • 拉普拉斯核 laplacian_kernel

等等

核的组合使用

以使用乘法聚合多个函数为例

# 用于组合的函数
func = namedtuple('func', ['func', 'param', 'weight'])# 函数对象，参数列表，所占权重

# 使用的核函数，参数，权重
funcs = [
    func(rbf_kernel, [0.5], 1),
    func(polynomial_kernel, [3, 0.5, 1], 1),
    func(linear_kernel, [], 1),
    func(laplacian_kernel, [0.5], 1),
]

# 自定义的组合核函数
def kernel(X: np.ndarray, Y: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return functools.reduce(
        operator.mul, 
        (f.func(X, Y, *f.param) * f.weight for f in funcs)
    )

以经典的 IRIS 数据集分类为例，运用该核函数进行分类操作

# 加载数据
iris = datasets.load_iris()
X, Y = iris.data[:, :2], iris.target
# 定义使用自定义核函数的分类器并进行训练
clf = svm.SVC(kernel=kernel_function)
clf.fit(X, Y)
# 预测，绘制决策面等
h = 0.02
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, h), np.arange(y_min, y_max, h))
Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
plt.pcolormesh(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Paired)
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=Y, cmap=plt.cm.Paired, edgecolors="k")
plt.title("3-Class classification SVM with use_custom kernel")
plt.axis("tight")
plt.plot()

如果运行代码可以看到相应的分类图

此处，展示一下更多的组合状况，比如说

  • 乘法或者加法作为聚合操作
  • 任选几个函数

WEB 演示

自定义核函数

有时候可能需要自行定义核函数的实现

一般来说都是定义的运算都类似于矩阵乘法的运算

A: np.ndarray  # (n x k)
B: np.ndarray  # (m x k)
result: np.ndarray  # (n x m)
for i in range(A.shape[0]):
    for j in range(B.shape[0]):
        result[i, j] = np.dot(A[i], B[j])
        # for k in range(A.shape[1]):
        #    result[i, j] += A[i, k] * B[j, k]
# 对于矩阵乘法，可以优化成 A @ B.T

类似地，RBF 是在循环内部求向量差的范数（欧几里得距离）再做指数运算

但是这样就慢了！

这里有时候可以利用 Numpy 等矩阵运算的广播机制，向量化整个操作。
例如矩阵乘法这种对应位相乘再相加可以通过如下方式实现

(A[:,None] * B).sum(axis=2)

通过这种向量化的优化，可以带来相当大的性能提升。

实现RBF函数

使用 for 循环实现

# 不那么高效的方法 rbf 实现
def naive_rbf(gamma=0.5):  # 仅示意
    coef = -1 / (2 * gamma ** 2)

    def kernel_function(X: np.ndarray, Y: np.ndarray):
        def naive_rbf_compute(va, vb):
            return np.exp(coef * np.square(va - vb).sum())

        dot = np.zeros((X.shape[0], Y.shape[0]))
        for i in range(X.shape[0]):
            for j in range(Y.shape[0]):
                dot[i, j] = naive_rbf_compute(X[i], Y[j])
        return dot

    return kernel_function

向量化实现

# 高斯
def rbf(gamma=0.5):  # 高阶函数
    coef = -1 / (2 * gamma ** 2)

    def kernel_function(X: np.ndarray, Y: np.ndarray):
        return np.exp(coef * np.square(X[:, None] - Y).sum(axis=2))

    # 先增维，再计算，最后再降维
    return kernel_function

性能测试

    from timeit import timeit
    X = np.random.randn(80, 4)
    naive = naive_rbf(1)
    vec = rbf(1)
    setup = 'from __main__ import X, vec, naive;import numpy as np'
    num = 1000
    t1 = timeit('naive(X, X)', setup=setup, number=num)
    t2 = timeit('vec(X, X)', setup=setup, number=num)
    print('Speed difference: {:0.3f}x'.format(t1 / t2))

以R7 4800U 8核16线程机器测试，结果为

Speed difference: 167.814x

总结

  • 可以使用Python函数作为核函数
  • 对于自定义的操作可以有向量化的实现

参考

  1. Using Python functions as kernels
  2. kernel function
  3. numpy 广播机制