用Python開始機器學習（8：SVM支持向量機）

SVM支持向量機是建立於統計學習理論上的一種分類算法，適合與處理具備高維特徵的數據集。

SVM算法的數學原理相對比較複雜，好在由於SVM算法的研究與應用如此火爆，CSDN博客裏也有大量的好文章對此進行分析，下面給出幾個本人認爲講解的相當不錯的：

支持向量機通俗導論（理解SVM的3層境界）：http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/7624837

JULY大牛講的是如此詳細，由淺入深層層推進，以至於關於SVM的原理，我一個字都不想寫了。。強烈推薦。

還有一個比較通俗的簡單版本的：手把手教你實現SVM算法：http://blog.csdn.net/alvine008/article/details/9097105

SVN原理比較複雜，但是思想很簡單，一句話概括，就是通過某種核函數，將數據在高維空間裏尋找一個最優超平面，能夠將兩類數據分開。

針對不同數據集，不同的核函數的分類效果可能完全不一樣。可選的核函數有這麼幾種：

線性函數：形如K(x,y)=x*y這樣的線性函數；

多項式函數：形如K(x,y)=[(x·y)+1]^d這樣的多項式函數；

徑向基函數：形如K(x,y)=exp(-|x-y|^2/d^2）這樣的指數函數；

Sigmoid函數：就是上一篇文章中講到的Sigmoid函數。

我們就利用之前的幾個數據集，直接給出Python代碼，看看運行效果：

測試1：身高體重數據

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import scipy as sp
from sklearn import svm
from sklearn.cross_validation import train_test_split
import matplotlib.pyplot as plt

data   = []
labels = []
with open("data\\1.txt") as ifile:
        for line in ifile:
            tokens = line.strip().split(' ')
            data.append([float(tk) for tk in tokens[:-1]])
            labels.append(tokens[-1])
x = np.array(data)
labels = np.array(labels)
y = np.zeros(labels.shape)
y[labels=='fat']=1
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size = 0.0)

h = .02
# create a mesh to plot in
x_min, x_max = x_train[:, 0].min() - 0.1, x_train[:, 0].max() + 0.1
y_min, y_max = x_train[:, 1].min() - 1, x_train[:, 1].max() + 1
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),
                     np.arange(y_min, y_max, h))

''''' SVM '''
# title for the plots
titles = ['LinearSVC (linear kernel)',
          'SVC with polynomial (degree 3) kernel',
          'SVC with RBF kernel',
          'SVC with Sigmoid kernel']
clf_linear  = svm.SVC(kernel='linear').fit(x, y)
#clf_linear  = svm.LinearSVC().fit(x, y)
clf_poly    = svm.SVC(kernel='poly', degree=3).fit(x, y)
clf_rbf     = svm.SVC().fit(x, y)
clf_sigmoid = svm.SVC(kernel='sigmoid').fit(x, y)

for i, clf in enumerate((clf_linear, clf_poly, clf_rbf, clf_sigmoid)):
    answer = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    print(clf)
    print(np.mean( answer == y_train))
    print(answer)
    print(y_train)

    plt.subplot(2, 2, i + 1)
    plt.subplots_adjust(wspace=0.4, hspace=0.4)

    # Put the result into a color plot
    z = answer.reshape(xx.shape)
    plt.contourf(xx, yy, z, cmap=plt.cm.Paired, alpha=0.8)

    # Plot also the training points
    plt.scatter(x_train[:, 0], x_train[:, 1], c=y_train, cmap=plt.cm.Paired)
    plt.xlabel(u'身高')
    plt.ylabel(u'體重')
    plt.xlim(xx.min(), xx.max())
    plt.ylim(yy.min(), yy.max())
    plt.xticks(())
    plt.yticks(())
    plt.title(titles[i])

plt.show()

運行結果如下：

可以看到，針對這個數據集，使用3次多項式核函數的SVM，得到的效果最好。

測試2：影評態度

下面看看SVM在康奈爾影評數據集上的表現：（代碼略）

SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='linear', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.814285714286

SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='poly', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.492857142857

SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='rbf', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.492857142857

SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='sigmoid', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.492857142857
可見在該數據集上，線性分類器效果最好。

測試3：圓形邊界

最後我們測試一個數據分類邊界爲圓形的情況：圓形內爲一類，原型外爲一類。看這類非線性的數據SVM表現如何：

測試數據生成代碼如下所示：

''''' 數據生成 '''
h = 0.1
x_min, x_max = -1, 1
y_min, y_max = -1, 1
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),
                     np.arange(y_min, y_max, h))
n = xx.shape[0]*xx.shape[1]
x = np.array([xx.T.reshape(n).T, xx.reshape(n)]).T
y = (x[:,0]*x[:,0] + x[:,1]*x[:,1] < 0.8)
y.reshape(xx.shape)

x_train, x_test, y_train, y_test\
    = train_test_split(x, y, test_size = 0.2)

測試結果如下：

SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='linear', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.65
SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='poly', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.675
SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='rbf', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.9625
SVC(C=1.0, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3, gamma=0.0,  kernel='sigmoid', max_iter=-1, probability=False, random_state=None,
  shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
0.65

可以看到，對於這種邊界，徑向基函數的SVM得到了近似完美的分類結果。而其他的分類器顯然束手無策。