SVM 超平面计算例题

news2025/7/1 9:40:43

SVM Summary

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Example

Suppose the dataset contains two positive samples x ( 1 ) = [ 1 , 1 ] T x^{(1)}=[1,1]^T x(1)=[1,1]T and x ( 2 ) = [ 2 , 2 ] T x^{(2)}=[2,2]^T x(2)=[2,2]T, and two negative samples x ( 3 ) = [ 0 , 0 ] T x^{(3)}=[0,0]^T x(3)=[0,0]T and x ( 4 ) = [ − 1 , 0 ] T x^{(4)}=[-1,0]^T x(4)=[1,0]T. Please calculate the SVM decision hyperplane.

Calculate

min ⁡ λ   J ( λ ) = 1 2 ∑ i = 1 N ∑ j = 1 N λ i λ j y ( i ) y ( j ) ( x ( i ) ) T x ( j ) − ∑ i = 1 N λ i \min_\lambda\ {\mathcal{J}(\lambda)} = \frac{1}{2}\sum_{i=1}^N\sum_{j=1}^N \lambda_i\lambda_jy^{(i)}y^{(j)}(x^{(i)})^Tx^{(j)} - \sum_{i=1}^N\lambda_i λmin J(λ)=21i=1Nj=1Nλiλjy(i)y(j)(x(i))Tx(j)i=1Nλi
s . t .          λ i ⩾ 0 ,        ∑ i = 1 N λ i y ( i ) = 0 s.t. \ \ \ \ \ \ \ \ \lambda_i \geqslant 0,\ \ \ \ \ \ \sum_{i=1}^N\lambda_iy^{(i)}=0 s.t.        λi0,      i=1Nλiy(i)=0
D a t a s e t   D : { x : { [ 1 , 1 ] , [ 2 , 2 ] , [ 0 , 0 ] , [ − 1 , 0 ] } , y : { 1 , 1 , − 1 , − 1 } } Dataset\ D:\{x:\{[1,1],[2,2],[0,0],[-1,0]\},y:\{1,1,-1,-1\}\} Dataset D:{x:{[1,1],[2,2],[0,0],[1,0]},y:{1,1,1,1}}可得下式:
min ⁡ λ   J ( λ ) = 1 2 ( 2 λ 1 2 + 8 λ 2 2 + λ 4 2 + 8 λ 1 λ 2 + 2 λ 1 λ 4 + 4 λ 2 λ 4 ) − λ 1 − λ 2 − λ 3 − λ 4 s . t         λ 1 ⩾ 0 , λ 2 ⩾ 0 , λ 3 ⩾ 0 , λ 4 ⩾ 0 λ 1 + λ 2 − λ 3 − λ 4 = 0 \min_\lambda\ {\mathcal{J}(\lambda)} = \frac{1}{2}(2\lambda_1^2+8\lambda_2^2+\lambda_4^2+8\lambda_1\lambda_2+2\lambda_1\lambda_4+4\lambda_2\lambda_4) \\- \lambda_1-\lambda_2-\lambda_3-\lambda_4\\ s.t \ \ \ \ \ \ \ \lambda_1 \geqslant 0,\lambda_2\geqslant 0,\lambda_3\geqslant 0,\lambda_4\geqslant 0\\ \lambda_1+\lambda_2-\lambda_3-\lambda_4 = 0 λmin J(λ)=21(2λ12+8λ22+λ42+8λ1λ2+2λ1λ4+4λ2λ4)λ1λ2λ3λ4s.t       λ10,λ20,λ30,λ40λ1+λ2λ3λ4=0
since λ 1 + λ 2 = λ 3 + λ 4 → λ 3 = λ 1 + λ 2 − λ 4 \lambda_1+\lambda_2 = \lambda_3+\lambda_4 \to \lambda_3 = \lambda_1+\lambda_2 - \lambda_4 λ1+λ2=λ3+λ4λ3=λ1+λ2λ4:
min ⁡ λ   J ( λ ) = λ 1 2 + 4 λ 2 2 + 1 2 λ 4 2 + 4 λ 1 λ 2 + λ 1 λ 4 + 2 λ 2 λ 4 − 2 λ 1 − 2 λ 2 s . t         λ 1 ⩾ 0 , λ 2 ⩾ 0 ⟹ 求 偏 导 { ∂ J ∂ λ 1 = 2 λ 1 + 4 λ 2 + λ 4 − 2 = 0 ∂ J ∂ λ 2 = 4 λ 1 + 8 λ 2 + 2 λ 4 − 2 = 0 ∂ J ∂ λ 4 = λ 1 + 2 λ 2 + λ 4 = 0 \min_\lambda\ {\mathcal{J}(\lambda)} = \lambda_1^2+4\lambda_2^2+\frac{1}{2}\lambda_4^2+4\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_4+2\lambda_2\lambda_4 - 2\lambda_1-2\lambda_2\\ s.t \ \ \ \ \ \ \ \lambda_1 \geqslant 0,\lambda_2\geqslant 0 \\ \\ \Longrightarrow ^{求偏导}\\ \left\{\begin{matrix} \frac{\partial \mathcal{J}}{\partial \lambda_1} = 2\lambda_1 +4\lambda_2+\lambda_4-2=0 \\ \frac{\partial \mathcal{J}}{\partial \lambda_2} = 4\lambda_1 +8\lambda_2+2\lambda_4-2=0 \\ \frac{\partial \mathcal{J}}{\partial \lambda_4} = \lambda_1 +2\lambda_2+\lambda_4=0 \end{matrix}\right. λmin J(λ)=λ12+4λ22+21λ42+4λ1λ2+λ1λ4+2λ2λ42λ12λ2s.t       λ10,λ20λ1J=2λ1+4λ2+λ42=0λ2J=4λ1+8λ2+2λ42=0λ4J=λ1+2λ2+λ4=0
Lagrange无解,所以极小值在边界上:

  • λ 1 = 0 , λ 3 = λ 1 + λ 2 − λ 4 \lambda_1 = 0, \lambda_3 = \lambda_1+\lambda_2 - \lambda_4 λ1=0λ3=λ1+λ2λ4带入 J ( λ ) \mathcal{J}(\lambda) J(λ)中,得:
    J ( λ ) = 4 λ 2 2 + 1 2 λ 4 2 + + 2 λ 2 λ 4 − 2 λ 2 ⟹ 求 偏 导 { ∂ J ∂ λ 2 = 8 λ 2 + 2 λ 4 − 2 = 0 ∂ J ∂ λ 4 = 2 λ 2 + λ 4 = 0 ⟹ { λ 2 = 1 2 λ 4 = − 1 ( ≤ 0      不 满 足 s . t . ) 再 令 : λ 2 = 0 , 则 λ 4 = 0 , J ( λ ) = 0 ; 或 λ 4 = 0 , 则 λ 2 = 1 4 , J ( λ ) = − 1 4 ; \mathcal{J}(\lambda) = 4\lambda_2^2+\frac{1}{2}\lambda_4^2++2\lambda_2\lambda_4 -2\lambda_2 \\ \\ \Longrightarrow ^{求偏导}\\ \left\{\begin{matrix} \frac{\partial \mathcal{J}}{\partial \lambda_2} = 8\lambda_2+2\lambda_4-2=0 \\ \frac{\partial \mathcal{J}}{\partial \lambda_4} = 2\lambda_2+\lambda_4=0 \end{matrix}\right. \Longrightarrow \left\{\begin{matrix} \lambda_2=\frac{1}{2} \\ \lambda_4=-1(\le0 \ \ \ \ 不满足s.t.) \end{matrix}\right.\\ 再令:\\ \lambda_2 = 0,则\lambda_4=0, \mathcal{J}(\lambda) = 0;\\ 或\lambda_4 = 0,则\lambda_2=\frac{1}{4}, \mathcal{J}(\lambda) = -\frac{1}{4}; J(λ)=4λ22+21λ42++2λ2λ42λ2{λ2J=8λ2+2λ42=0λ4J=2λ2+λ4=0{λ2=21λ4=1(0    s.t.)λ2=0,λ4=0J(λ)=0λ4=0,λ2=41J(λ)=41

同理可得:

  • λ 2 = 0 \lambda_2 = 0 λ2=0
    λ 1 = 0 , 则 λ 4 = 0 , J ( λ ) = 0 ; 或 λ 4 = 0 , 则 λ 1 = 1 , J ( λ ) = − 1 ; \lambda_1 = 0,则\lambda_4=0, \mathcal{J}(\lambda) = 0;\\ 或\lambda_4 = 0,则\lambda_1=1, \mathcal{J}(\lambda) =-1; λ1=0,λ4=0J(λ)=0λ4=0,λ1=1J(λ)=1
  • λ 3 = 0 \lambda_3 = 0 λ3=0
    λ 1 = 0 , 则 λ 2 = 2 13 , J ( λ ) = − 2 13 ; 或 λ 2 = 0 , 则 λ 1 = 2 5 , J ( λ ) = − 2 5 ; \lambda_1 = 0,则\lambda_2=\frac{2}{13}, \mathcal{J}(\lambda) = -\frac{2}{13};\\ 或\lambda_2 = 0,则\lambda_1=\frac{2}{5}, \mathcal{J}(\lambda) =-\frac{2}{5}; λ1=0,λ2=132J(λ)=132λ2=0,λ1=52J(λ)=52
  • λ 4 = 0 \lambda_4 = 0 λ4=0
    λ 1 = 0 , 则 λ 2 = 1 4 , J ( λ ) = − 1 4 ; 或 λ 2 = 0 , 则 λ 1 = 1 , J ( λ ) = − 1 ; \lambda_1 = 0,则\lambda_2=\frac{1}{4}, \mathcal{J}(\lambda) = -\frac{1}{4};\\ 或\lambda_2 = 0,则\lambda_1=1, \mathcal{J}(\lambda) =-1; λ1=0,λ2=41J(λ)=41λ2=0,λ1=1J(λ)=1
    综上: λ 1 , 2 , 3 , 4 = { 1 , 0 , 1 , 0 } \lambda_{1,2,3,4} =\{1,0,1,0\} λ1,2,3,4={1,0,1,0}
    { W = ∑ i = 1 N λ i y ( i ) x ( i ) b = y ( j ) − ∑ i = 1 N λ i y ( i ) ( x ( i ) ) T x ( j ) ⟹ { W = [ 1 , 1 ] T b = − 1 ⟹ x ( 1 ) + x ( 2 ) − 1 = 0 \left\{\begin{matrix} W=\sum_{i=1}^{N} \lambda_{i} y^{(i)} \boldsymbol{x}^{(i)}\\ b=y^{(j)}-\sum_{i=1}^{N} \lambda_{i} y^{(i)}\left(x^{(i)}\right)^{T} x^{(j)} \end{matrix}\right. \Longrightarrow \left\{\begin{matrix} W = [1,1]^T\\ b=-1 \end{matrix}\right. \\\Longrightarrow x^{(1)}+x^{(2)} -1 =0 {W=i=1Nλiy(i)x(i)b=y(j)i=1Nλiy(i)(x(i))Tx(j){W=[1,1]Tb=1x(1)+x(2)1=0

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