【Python机器学习】实验11 支持向量机3

简介: 【Python机器学习】实验11 支持向量机3

7.2 绘制高高线表示预测结果

def plot_predictions(clf, axes):
    x0s = np.linspace(axes[0], axes[1], 100)
    x1s = np.linspace(axes[2], axes[3], 100)
    x0, x1 = np.meshgrid(x0s, x1s)
    X = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_pred = clf.predict(X).reshape(x0.shape)
    y_decision = clf.decision_function(X).reshape(x0.shape)
    plt.contourf(x0, x1, y_pred, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.2)
    plt.contourf(x0, x1, y_decision, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.1)

7.3 绘制原始数据

def plot_dataset(X, y, axes):
    plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "bs")
    plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "g^")
    plt.axis(axes)
    plt.grid(True, which='both')
    plt.xlabel(r"$x_1$", fontsize=20)
    plt.ylabel(r"$x_2$", fontsize=20, rotation=0)

7.4 绘制不同gamma和C对应的

from sklearn.svm import SVC
X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.15, random_state=42)
gamma1, gamma2 = 0.1, 5
C1, C2 = 0.001, 1000
hyperparams = (gamma1, C1), (gamma1, C2), (gamma2, C1), (gamma2, C2)
svm_clfs = []
for gamma, C in hyperparams:
    rbf_kernel_svm_clf = Pipeline([("scaler", StandardScaler()),
                                   ("svm_clf",SVC(kernel="rbf", gamma=gamma, C=C))])
    rbf_kernel_svm_clf.fit(X, y)
    svm_clfs.append(rbf_kernel_svm_clf)
plt.figure(figsize=(6,4))
for i, svm_clf in enumerate(svm_clfs):
    plt.subplot(221 + i)
    plot_predictions(svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    gamma, C = hyperparams[i]
    plt.title(r"$\gamma = {}, C = {}$".format(gamma, C), fontsize=12)
plt.show()

实例8 手写SVM

8.1 创建数据

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import  train_test_split
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
# data
def create_data():
    iris = load_iris()
    df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
    df['label'] = iris.target
    df.columns = ['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width', 'label']
    data = np.array(df.iloc[:100, [0, 1, -1]])
    for i in range(len(data)):
        if data[i,-1] == 0:
            data[i,-1] = -1
    return data[:,:2], data[:,-1]
X, y = create_data()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.25)
plt.scatter(X[:50,0],X[:50,1], label='0')
plt.scatter(X[50:,0],X[50:,1], label='1')
plt.legend()
matplotlib.legend.Legend at 0x1c516838670>

8.2 定义支持向量机

class SVM:
    def __init__(self, max_iter=100, kernel='linear'):
        self.max_iter = max_iter
        self._kernel = kernel
    def init_args(self, features, labels):
        self.m, self.n = features.shape
        self.X = features
        self.Y = labels
        self.b = 0.0
        # 将Ei保存在一个列表里
        self.alpha = np.ones(self.m)
        self.E = [self._E(i) for i in range(self.m)]
        # 松弛变量
        self.C = 1.0
    def _KKT(self, i):
        y_g = self._g(i) * self.Y[i]
        if self.alpha[i] == 0:
            return y_g >= 1
        elif 0 < self.alpha[i] < self.C:
            return y_g == 1
        else:
            return y_g <= 1
    # g(x)预测值,输入xi(X[i])
    def _g(self, i):
        r = self.b
        for j in range(self.m):
            r += self.alpha[j] * self.Y[j] * self.kernel(self.X[i], self.X[j])
        return r
    # 核函数
    def kernel(self, x1, x2):
        if self._kernel == 'linear':
            return sum([x1[k] * x2[k] for k in range(self.n)])
        elif self._kernel == 'poly':
            return (sum([x1[k] * x2[k] for k in range(self.n)]) + 1)**2
        return 0
    # E(x)为g(x)对输入x的预测值和y的差
    def _E(self, i):
        return self._g(i) - self.Y[i]
    def _init_alpha(self):
        # 外层循环首先遍历所有满足0<a<C的样本点,检验是否满足KKT
        index_list = [i for i in range(self.m) if 0 < self.alpha[i] < self.C]
        # 否则遍历整个训练集
        non_satisfy_list = [i for i in range(self.m) if i not in index_list]
        index_list.extend(non_satisfy_list)
        for i in index_list:
            if self._KKT(i):
                continue
            E1 = self.E[i]
            # 如果E2是+,选择最小的;如果E2是负的,选择最大的
            if E1 >= 0:
                j = min(range(self.m), key=lambda x: self.E[x])
            else:
                j = max(range(self.m), key=lambda x: self.E[x])
            return i, j
    def _compare(self, _alpha, L, H):
        if _alpha > H:
            return H
        elif _alpha < L:
            return L
        else:
            return _alpha
    def fit(self, features, labels):
        self.init_args(features, labels)
        for t in range(self.max_iter):
            # train
            i1, i2 = self._init_alpha()
            # 边界
            if self.Y[i1] == self.Y[i2]:
                L = max(0, self.alpha[i1] + self.alpha[i2] - self.C)
                H = min(self.C, self.alpha[i1] + self.alpha[i2])
            else:
                L = max(0, self.alpha[i2] - self.alpha[i1])
                H = min(self.C, self.C + self.alpha[i2] - self.alpha[i1])
            E1 = self.E[i1]
            E2 = self.E[i2]
            # eta=K11+K22-2K12
            eta = self.kernel(self.X[i1], self.X[i1]) + self.kernel(
                self.X[i2],
                self.X[i2]) - 2 * self.kernel(self.X[i1], self.X[i2])
            if eta <= 0:
                # print('eta <= 0')
                continue
            alpha2_new_unc = self.alpha[i2] + self.Y[i2] * (
                E1 - E2) / eta  #此处有修改,根据书上应该是E1 - E2,书上130-131页
            alpha2_new = self._compare(alpha2_new_unc, L, H)
            alpha1_new = self.alpha[i1] + self.Y[i1] * self.Y[i2] * (
                self.alpha[i2] - alpha2_new)
            b1_new = -E1 - self.Y[i1] * self.kernel(self.X[i1], self.X[i1]) * (
                alpha1_new - self.alpha[i1]) - self.Y[i2] * self.kernel(
                    self.X[i2],
                    self.X[i1]) * (alpha2_new - self.alpha[i2]) + self.b
            b2_new = -E2 - self.Y[i1] * self.kernel(self.X[i1], self.X[i2]) * (
                alpha1_new - self.alpha[i1]) - self.Y[i2] * self.kernel(
                    self.X[i2],
                    self.X[i2]) * (alpha2_new - self.alpha[i2]) + self.b
            if 0 < alpha1_new < self.C:
                b_new = b1_new
            elif 0 < alpha2_new < self.C:
                b_new = b2_new
            else:
                # 选择中点
                b_new = (b1_new + b2_new) / 2
            # 更新参数
            self.alpha[i1] = alpha1_new
            self.alpha[i2] = alpha2_new
            self.b = b_new
            self.E[i1] = self._E(i1)
            self.E[i2] = self._E(i2)
        return 'train done!'
    def predict(self, data):
        r = self.b
        for i in range(self.m):
            r += self.alpha[i] * self.Y[i] * self.kernel(data, self.X[i])
        return 1 if r > 0 else -1
    def score(self, X_test, y_test):
        right_count = 0
        for i in range(len(X_test)):
            result = self.predict(X_test[i])
            if result == y_test[i]:
                right_count += 1
        return right_count / len(X_test)
    def _weight(self):
        # linear model
        yx = self.Y.reshape(-1, 1) * self.X
        self.w = np.dot(yx.T, self.alpha)
        return self.w

8.3 初始化支持向量机并拟合

svm = SVM(max_iter=100)
svm.fit(X_train, y_train)
'train done!'

8.4 支持向量机得到分数

svm.score(X_test, y_test)
0.72

实验:采用以下数据作为数据集,分别基于线性和核支持向量机进行分类,对于线性核绘制决策边界

1. 获取数据

from sklearn.svm import SVC
from sklearn import datasets
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
mpl.rc('axes', labelsize=14)
mpl.rc('xtick', labelsize=12)
mpl.rc('ytick', labelsize=12)
iris = datasets.load_iris()
X = iris["data"][:, (2, 3)]  # petal length, petal width
y = iris["target"]
X,y
(array([[1.4, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [1.3, 0.2],
        [1.5, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [1.7, 0.4],
        [1.4, 0.3],
        [1.5, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [1.5, 0.1],
        [1.5, 0.2],
        [1.6, 0.2],
        [1.4, 0.1],
        [1.1, 0.1],
        [1.2, 0.2],
        [1.5, 0.4],
        [1.3, 0.4],
        [1.4, 0.3],
        [1.7, 0.3],
        [1.5, 0.3],
        [1.7, 0.2],
        [1.5, 0.4],
        [1. , 0.2],
        [1.7, 0.5],
        [1.9, 0.2],
        [1.6, 0.2],
        [1.6, 0.4],
        [1.5, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [1.6, 0.2],
        [1.6, 0.2],
        [1.5, 0.4],
        [1.5, 0.1],
        [1.4, 0.2],
        [1.5, 0.2],
        [1.2, 0.2],
        [1.3, 0.2],
        [1.4, 0.1],
        [1.3, 0.2],
        [1.5, 0.2],
        [1.3, 0.3],
        [1.3, 0.3],
        [1.3, 0.2],
        [1.6, 0.6],
        [1.9, 0.4],
        [1.4, 0.3],
        [1.6, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [1.5, 0.2],
        [1.4, 0.2],
        [4.7, 1.4],
        [4.5, 1.5],
        [4.9, 1.5],
        [4. , 1.3],
        [4.6, 1.5],
        [4.5, 1.3],
        [4.7, 1.6],
        [3.3, 1. ],
        [4.6, 1.3],
        [3.9, 1.4],
        [3.5, 1. ],
        [4.2, 1.5],
        [4. , 1. ],
        [4.7, 1.4],
        [3.6, 1.3],
        [4.4, 1.4],
        [4.5, 1.5],
        [4.1, 1. ],
        [4.5, 1.5],
        [3.9, 1.1],
        [4.8, 1.8],
        [4. , 1.3],
        [4.9, 1.5],
        [4.7, 1.2],
        [4.3, 1.3],
        [4.4, 1.4],
        [4.8, 1.4],
        [5. , 1.7],
        [4.5, 1.5],
        [3.5, 1. ],
        [3.8, 1.1],
        [3.7, 1. ],
        [3.9, 1.2],
        [5.1, 1.6],
        [4.5, 1.5],
        [4.5, 1.6],
        [4.7, 1.5],
        [4.4, 1.3],
        [4.1, 1.3],
        [4. , 1.3],
        [4.4, 1.2],
        [4.6, 1.4],
        [4. , 1.2],
        [3.3, 1. ],
        [4.2, 1.3],
        [4.2, 1.2],
        [4.2, 1.3],
        [4.3, 1.3],
        [3. , 1.1],
        [4.1, 1.3],
        [6. , 2.5],
        [5.1, 1.9],
        [5.9, 2.1],
        [5.6, 1.8],
        [5.8, 2.2],
        [6.6, 2.1],
        [4.5, 1.7],
        [6.3, 1.8],
        [5.8, 1.8],
        [6.1, 2.5],
        [5.1, 2. ],
        [5.3, 1.9],
        [5.5, 2.1],
        [5. , 2. ],
        [5.1, 2.4],
        [5.3, 2.3],
        [5.5, 1.8],
        [6.7, 2.2],
        [6.9, 2.3],
        [5. , 1.5],
        [5.7, 2.3],
        [4.9, 2. ],
        [6.7, 2. ],
        [4.9, 1.8],
        [5.7, 2.1],
        [6. , 1.8],
        [4.8, 1.8],
        [4.9, 1.8],
        [5.6, 2.1],
        [5.8, 1.6],
        [6.1, 1.9],
        [6.4, 2. ],
        [5.6, 2.2],
        [5.1, 1.5],
        [5.6, 1.4],
        [6.1, 2.3],
        [5.6, 2.4],
        [5.5, 1.8],
        [4.8, 1.8],
        [5.4, 2.1],
        [5.6, 2.4],
        [5.1, 2.3],
        [5.1, 1.9],
        [5.9, 2.3],
        [5.7, 2.5],
        [5.2, 2.3],
        [5. , 1.9],
        [5.2, 2. ],
        [5.4, 2.3],
        [5.1, 1.8]]),
 array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
        1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
        1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
        2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
        2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2]))
X_train=X[(y==1) | (y==2)]
y_train=y[(y==1) | (y==2)]
y_train
array([1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2])

2. 可视化数据

plt.scatter(X_train[:50,0],X_train[:50,1],marker='x',label='Positive')
plt.scatter(X_train[50:,0],X_train[50:,1],marker='o',label='Negative')
plt.legend()
<matplotlib.legend.Legend at 0x1c515115610>

3. 试试采用线性支持向量机来拟合

from sklearn.svm import SVC
svm_clf = SVC(kernel="linear", C=10,max_iter=1000)
svm_clf.fit(X_train,y_train)
SVC(C=10, kernel='linear', max_iter=1000)
svm_clf.score(X_train,y_train)
0.95

4. 试试采用核支持向量机

import sklearn.svm as svm
nl_svc=svm.SVC(C=1,gamma=1,probability=True)
nl_svc.fit(X_train,y_train)
nl_svc.score(X_train,y_train)
0.95

5. 绘制线性支持向量机的决策边界

def plot_svc_decision_boundary(svm_clf, xmin, xmax):
    w = svm_clf.coef_[0]
    b = svm_clf.intercept_[0]
    # At the decision boundary, w0*x0 + w1*x1 + b = 0
    # => x1 = -w0/w1 * x0 - b/w1
    x0 = np.linspace(xmin, xmax, 200)
    decision_boundary = -w[0]/w[1] * x0 - b/w[1]
    # margin = 1/np.sqrt(w[1]**2+w[0]**2)
    margin = 1/0.9
    margin = 1/w[1]
    gutter_up = decision_boundary + margin
    gutter_down = decision_boundary - margin
    svs = svm_clf.support_vectors_
    plt.scatter(svs[:, 0], svs[:, 1], s=180, facecolors='#FFAAAA')
    plt.plot(x0, decision_boundary, "k-", linewidth=2)
    plt.plot(x0, gutter_up, "k--", linewidth=2)
    plt.plot(x0, gutter_down, "k--", linewidth=2)
np.min(X_train[:,0]),np.max(X_train[:,0])
(3.0, 6.9)
plt.figure(figsize=(6,4))
plot_svc_decision_boundary(svm_clf,3,7)
plt.plot(X[:, 0][y == 1], X[:, 1][y == 1], "bs")
plt.plot(X[:, 0][y == 2], X[:, 1][y == 2], "yo")
plt.xlabel("Petal length", fontsize=14)
plt.axis([3,7,0,2])
plt.show()

6. 绘制非线性决策边界

def plot_predictions(clf, axes):
    x0s = np.linspace(axes[0], axes[1], 100)
    x1s = np.linspace(axes[2], axes[3], 100)
    x0, x1 = np.meshgrid(x0s, x1s)
    X = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_pred = clf.predict(X).reshape(x0.shape)
    y_decision = clf.decision_function(X).reshape(x0.shape)
    plt.contourf(x0, x1, y_pred, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.2)
    plt.contourf(x0, x1, y_decision, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.1)
def plot_dataset(X, y, axes):
    plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "bs")
    plt.plot(X[:, 0][y==2], X[:, 1][y==2], "g^")
    plt.axis(axes)
    plt.grid(True, which='both')
    plt.xlabel(r"$x_1$", fontsize=20)
    plt.ylabel(r"$x_2$", fontsize=20, rotation=0)
np.min(X_train[:,0]),np.max(X_train[:,0]),
(3.0, 6.9)
np.min(X_train[:,1]),np.max(X_train[:,1])
(1.0, 2.5)
plot_predictions(nl_svc, [2.5,7,1,3])
plot_dataset(X, y, [2.5,7,1,3])

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