スキップしてメイン コンテンツに移動

カーネルSVMの実装

Introduction


今日はカーネルSVMを実装しました。
最適化には内点法を実装しました。
この記事では実装のみ書いていますが、理論編もそのうちに書きたいと思います。書き次第、リンクを貼っておきます。

# 第一弾書きました。
SVMの理論 part 1

僕のcomputerはwindowsでOSもwindowsです。
実装はPython3で行います。

概要

  • カーネルとは
  • データセットについて
  • 実装の結果

カーネルとは

カーネルとは非線形問題を解くための手法です。
直線で分類できないようなデータをある写像をもとで、直線で分類できるような分布に変形することです。次の画像を見たほうがわかりやすいかもしれません。
enter image description here
⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓⇓↓
enter image description here
このように変形することをカーネルトリックといいます。
変形されたデータは写像\(\phi\)によって\(\phi(x)\)と表現されます。
\[\phi:x -> \phi(x)\]
しかし、SVMではカーネル関数は次のように表されることが多いです。
\[K(x,y)=\phi(x)^T \phi(y)\]
なぜなら、SVMでは \(\phi(x)^T \phi\)のみを計算するからです。
最もよく使われているカーネルはRBFとpolynomialです。
  • RBF
    \[K(x,y) = \exp(-\gamma ||x-y||^2)\]
  • polynomial
    \[K(x,y) = (x^Ty+c)^p\]
\(K(x,y) = x^Ty\)とすればこれは線形SVMになります。

データセット

今日使うデータセットはnp.random.randnによって生成された正規分布に従う乱数です。
enter image description here
と
enter image description here
このデータを作ったコードはここに置いてあります。

Implementation

今回はRBFカーネルを使いました。
\(\gamma = 0.5\)
正規化係数50とすると次のようになりました。
enter image description here
次に二つ目のデータセットに対して、RBF kernelを使いました。
\(\gamma = 0.5\)
正規化係数を100とすると、次のようになりました。
enter image description here
なんか面白い。
今回のSVMのコードはこちらに置いてあります。

Reference

https://qiita.com/ta-ka/items/e6fd0b6fc46dbab4a651
http://aidiary.hatenablog.com/entry/20100501/1272712699
https://www.amazon.co.jp/%E3%82%B5%E3%83%9D%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%99%E3%82%AF%E3%83%88%E3%83%AB%E3%83%9E%E3%82%B7%E3%83%B3-%E6%A9%9F%E6%A2%B0%E5%AD%A6%E7%BF%92%E3%83%97%E3%83%AD%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%8A%E3%83%AB%E3%82%B7%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%82%BA-%E7%AB%B9%E5%86%85-%E4%B8%80%E9%83%8E/dp/4061529064
Labels:

コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

最尤推定

Introduction English ver 今日は最尤推定について加工と思います。これは統計的推定でよく使われる手法です。最尤推定の例も書こうと思います。初めに尤度の説明をし、そのあとで最尤推定の説明をします。 概要 尤度 最尤推定 最尤推定の問題点 尤度 前提条件から得られる観察データを考えます。この時、えられた観測データに対して前提条件が尤もらしい条件であるかの値を尤度といいます。 なにをゆっているのかわからない人がほとんどだと思います。。。 尤度の例を扱っていきます。 コインを投げることを考えます。このコインは確率Pで表、確率1-Pで裏を出すコインだとします。 例えば、100回コインを投げたとき、全て表だったとします。この時このコインが表が出る確率はかなり1に近いことが予想されます。 ではもし、表が出る確率PがP=0.5だとします。この時、表が100回連続で出る確率は$0.5^{100} = 7.88860e-31$になります。あり得ない確率ですね。これがP=0.5としたときのもっともらしさです。つまり、あまり現実的ではないということです。 もしP=0.99とするとき、100回とも表が出る確率は$0.99^{100} = 0.3666....$となります。つまり、P=0.99としたときの尤度は0.36くらいということです。よって、P=0.5よりかは現実見があることになります。まだまだ低い数字ではありますが。 観測データである、100回表が出るという事象を固定したとき、尤度はPを変数としたP(100回表|P)を尤度関数と呼びます。この関数の値を尤度と呼びます。 尤度が高いほうが尤もらしい値、つまり理にかなっているなと感じることができる値ということになります。 例えば、先ほどの例でゆうと、 P=0.5としたときの尤度は7.88860e-31でした。P=0.99としたときの尤度は0.3666でした。よってP=0.5より、P=0.99のほうが尤もらしい自然な値ということになります。 最尤推定 最尤推定とは得られた観測データからデータが依存している分布のパラメーターを推測するための手法です。 最尤推定では尤度を最大化して、最も尤もらしいパラメーターを求めます。 確率密度関数...
3 件のコメント
続きを読む

カーネルK-means 理論編

Introduction English ver 今日は、カーネルK-meansの理論について書きます。カーネルK-meansは通常のK-meansの欠点を補うことができます。通常のK-meansの欠点とカーネルK-meansの強みも説明します。もし、まだ御覧になられていなければ、通常の K-means 理論編 の記事を見ていただけるとよいのではないかと思います。 カーネルK-meansの実装編 も併せてご覧ください。 概要 K-meansの弱点 カーネルトリック カーネルK-means アルゴリズム K-meansの弱点 例えば、次のようなデータを用意します。 このデータはK-meansによってうまく分類することはできません。なぜなら通常のK-meansでは、データとプロトタイプのユークリッド距離に依存しているからです。そのため、このような円状に分布しているデータはうまく分類することができません。 プロトタイプとはそれぞれのクラスにあり、そのクラスを代表するようなもののことです。K-meansでは各クラスの平均ベクトルとなります。それゆえ、以下のような分類になってしまいます。 このようなデータではK-meansはうまくいきません。 K-meansで分類できるデータセットは次のように各クラスで固まっている必要があります。 カーネルK-meansはK-meansの弱点を補います。 カーネルトリック 初めに、カーネルトリックを説明します。 線形分離できないようなデータ$X$を例えば次のように線形分離できるように$\phi(x)$に送る写像$\phi$を考えます。 カーネルは次のように定義されます。 $$K(x,y) = \phi(x)^T \phi(y)$$ $\phi$を具体的に計算することは難しいですが、$K(x,y)$を計算することなら簡単です。 この手法をカーネルトリックと呼ばれます。 カーネルK means K-meansの目的関数を復習しておきます。 $$J = \sum_{n=1}^{N} \sum_{k=1}^{K} r_{nk} ||x_n-\mu_k||^2$$ ここで、 プロトタイプは$\mu_i ~\forall k \in K$としま...
コメントを投稿
続きを読む

ダイクストラ法

Introduction English ver 今日は、ダイクストラ法について書きます。ダイクストラ法とは最短距離を求めるアルゴリズムです。地図はグラフで表されます。もし、まだ this page を見ていない方は先にこちらをご覧ください。今回はこの記事を前提としています。このページでは、グラフの定義と、ヒープ構造について書いています。ダイクストラ法ではヒープ構造を使って、かなりの計算量を落とします。 この スライド はダイクストラ法を説明したスライドです。 Overview アルゴリズム 実装 アルゴリズム このアルゴリズムは スタート始点のノードを決める。そして、それをAと名付ける。 各ノードに$d=\infty$を割り当てる。ただし、スタート地点はd=0 Aの隣接ノードのリストをadj_listと名付ける。  For adj in adj_list:  If d of adj > d of A + weight to adj -> d = A + weight to adj. グラフnetworkからAを取り除く グラフnetworkの中で最初のdを持っているノードをAとし、4に戻る。 となっています。 このアルゴリズムを図を用いて説明します。  このグラフを使って説明します。  初めに、スタート地点を決めます。そして、各ノードに$d=\infty$を割り当てます。  Aから始まります。Aの隣接ノードであるBのdを更新します。もし、現在のBよりもAのdとA->Bへの重みを足したもののほうが小さいならdをその値に更新します。同じようにCnのdを更新します。 次にAを取り除きます。  次はBから始まります。Aと同じことをやります。 このダイクストラ法では今のような操作をグラフの全てのノードに×がつくまで続きます。 実装 このアルゴリズムでは$O(log(|V|^2))$という計算量を持っています。最小のdを持つノードを探すのに時間がかかります。 しかし、ヒープ構造を使えばO((E+V)log(V))に減らせます。ヒープ構造で現時点での...
コメントを投稿
続きを読む