用TensorFlow實(shí)現(xiàn)多類支持向量機(jī)的示例代碼
本文將詳細(xì)展示一個(gè)多類支持向量機(jī)分類器訓(xùn)練iris數(shù)據(jù)集來分類三種花。
SVM算法最初是為二值分類問題設(shè)計(jì)的,但是也可以通過一些策略使得其能進(jìn)行多類分類。主要的兩種策略是:一對(duì)多(one versus all)方法;一對(duì)一(one versus one)方法。
一對(duì)一方法是在任意兩類樣本之間設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)二值分類器,然后得票最多的類別即為該未知樣本的預(yù)測(cè)類別。但是當(dāng)類別(k類)很多的時(shí)候,就必須創(chuàng)建k!/(k-2)!2!個(gè)分類器,計(jì)算的代價(jià)還是相當(dāng)大的。
另外一種實(shí)現(xiàn)多類分類器的方法是一對(duì)多,其為每類創(chuàng)建一個(gè)分類器。最后的預(yù)測(cè)類別是具有最大SVM間隔的類別。本文將實(shí)現(xiàn)該方法。
我們將加載iris數(shù)據(jù)集,使用高斯核函數(shù)的非線性多類SVM模型。iris數(shù)據(jù)集含有三個(gè)類別,山鳶尾、變色鳶尾和維吉尼亞鳶尾(I.setosa、I.virginica和I.versicolor),我們將為它們創(chuàng)建三個(gè)高斯核函數(shù)SVM來預(yù)測(cè)。
# Multi-class (Nonlinear) SVM Example #---------------------------------- # # This function wll illustrate how to # implement the gaussian kernel with # multiple classes on the iris dataset. # # Gaussian Kernel: # K(x1, x2) = exp(-gamma * abs(x1 - x2)^2) # # X : (Sepal Length, Petal Width) # Y: (I. setosa, I. virginica, I. versicolor) (3 classes) # # Basic idea: introduce an extra dimension to do # one vs all classification. # # The prediction of a point will be the category with # the largest margin or distance to boundary. import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import tensorflow as tf from sklearn import datasets from tensorflow.python.framework import ops ops.reset_default_graph() # Create graph sess = tf.Session() # Load the data # 加載iris數(shù)據(jù)集并為每類分離目標(biāo)值。 # 因?yàn)槲覀兿肜L制結(jié)果圖,所以只使用花萼長(zhǎng)度和花瓣寬度兩個(gè)特征。 # 為了便于繪圖,也會(huì)分離x值和y值 # iris.data = [(Sepal Length, Sepal Width, Petal Length, Petal Width)] iris = datasets.load_iris() x_vals = np.array([[x[0], x[3]] for x in iris.data]) y_vals1 = np.array([1 if y==0 else -1 for y in iris.target]) y_vals2 = np.array([1 if y==1 else -1 for y in iris.target]) y_vals3 = np.array([1 if y==2 else -1 for y in iris.target]) y_vals = np.array([y_vals1, y_vals2, y_vals3]) class1_x = [x[0] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==0] class1_y = [x[1] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==0] class2_x = [x[0] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==1] class2_y = [x[1] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==1] class3_x = [x[0] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==2] class3_y = [x[1] for i,x in enumerate(x_vals) if iris.target[i]==2] # Declare batch size batch_size = 50 # Initialize placeholders # 數(shù)據(jù)集的維度在變化,從單類目標(biāo)分類到三類目標(biāo)分類。 # 我們將利用矩陣傳播和reshape技術(shù)一次性計(jì)算所有的三類SVM。 # 注意,由于一次性計(jì)算所有分類, # y_target占位符的維度是[3,None],模型變量b初始化大小為[3,batch_size] x_data = tf.placeholder(shape=[None, 2], dtype=tf.float32) y_target = tf.placeholder(shape=[3, None], dtype=tf.float32) prediction_grid = tf.placeholder(shape=[None, 2], dtype=tf.float32) # Create variables for svm b = tf.Variable(tf.random_normal(shape=[3,batch_size])) # Gaussian (RBF) kernel 核函數(shù)只依賴x_data gamma = tf.constant(-10.0) dist = tf.reduce_sum(tf.square(x_data), 1) dist = tf.reshape(dist, [-1,1]) sq_dists = tf.multiply(2., tf.matmul(x_data, tf.transpose(x_data))) my_kernel = tf.exp(tf.multiply(gamma, tf.abs(sq_dists))) # Declare function to do reshape/batch multiplication # 最大的變化是批量矩陣乘法。 # 最終的結(jié)果是三維矩陣,并且需要傳播矩陣乘法。 # 所以數(shù)據(jù)矩陣和目標(biāo)矩陣需要預(yù)處理,比如xT·x操作需額外增加一個(gè)維度。 # 這里創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)來擴(kuò)展矩陣維度,然后進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置, # 接著調(diào)用TensorFlow的tf.batch_matmul()函數(shù) def reshape_matmul(mat): v1 = tf.expand_dims(mat, 1) v2 = tf.reshape(v1, [3, batch_size, 1]) return(tf.matmul(v2, v1)) # Compute SVM Model 計(jì)算對(duì)偶損失函數(shù) first_term = tf.reduce_sum(b) b_vec_cross = tf.matmul(tf.transpose(b), b) y_target_cross = reshape_matmul(y_target) second_term = tf.reduce_sum(tf.multiply(my_kernel, tf.multiply(b_vec_cross, y_target_cross)),[1,2]) loss = tf.reduce_sum(tf.negative(tf.subtract(first_term, second_term))) # Gaussian (RBF) prediction kernel # 現(xiàn)在創(chuàng)建預(yù)測(cè)核函數(shù)。 # 要當(dāng)心reduce_sum()函數(shù),這里我們并不想聚合三個(gè)SVM預(yù)測(cè), # 所以需要通過第二個(gè)參數(shù)告訴TensorFlow求和哪幾個(gè) rA = tf.reshape(tf.reduce_sum(tf.square(x_data), 1),[-1,1]) rB = tf.reshape(tf.reduce_sum(tf.square(prediction_grid), 1),[-1,1]) pred_sq_dist = tf.add(tf.subtract(rA, tf.multiply(2., tf.matmul(x_data, tf.transpose(prediction_grid)))), tf.transpose(rB)) pred_kernel = tf.exp(tf.multiply(gamma, tf.abs(pred_sq_dist))) # 實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)核函數(shù)后,我們創(chuàng)建預(yù)測(cè)函數(shù)。 # 與二類不同的是,不再對(duì)模型輸出進(jìn)行sign()運(yùn)算。 # 因?yàn)檫@里實(shí)現(xiàn)的是一對(duì)多方法,所以預(yù)測(cè)值是分類器有最大返回值的類別。 # 使用TensorFlow的內(nèi)建函數(shù)argmax()來實(shí)現(xiàn)該功能 prediction_output = tf.matmul(tf.multiply(y_target,b), pred_kernel) prediction = tf.arg_max(prediction_output-tf.expand_dims(tf.reduce_mean(prediction_output,1), 1), 0) accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(tf.equal(prediction, tf.argmax(y_target,0)), tf.float32)) # Declare optimizer my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01) train_step = my_opt.minimize(loss) # Initialize variables init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # Training loop loss_vec = [] batch_accuracy = [] for i in range(100): rand_index = np.random.choice(len(x_vals), size=batch_size) rand_x = x_vals[rand_index] rand_y = y_vals[:,rand_index] sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}) temp_loss = sess.run(loss, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}) loss_vec.append(temp_loss) acc_temp = sess.run(accuracy, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y, prediction_grid:rand_x}) batch_accuracy.append(acc_temp) if (i+1)%25==0: print('Step #' + str(i+1)) print('Loss = ' + str(temp_loss)) # 創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測(cè)網(wǎng)格,運(yùn)行預(yù)測(cè)函數(shù) x_min, x_max = x_vals[:, 0].min() - 1, x_vals[:, 0].max() + 1 y_min, y_max = x_vals[:, 1].min() - 1, x_vals[:, 1].max() + 1 xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, 0.02), np.arange(y_min, y_max, 0.02)) grid_points = np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()] grid_predictions = sess.run(prediction, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y, prediction_grid: grid_points}) grid_predictions = grid_predictions.reshape(xx.shape) # Plot points and grid plt.contourf(xx, yy, grid_predictions, cmap=plt.cm.Paired, alpha=0.8) plt.plot(class1_x, class1_y, 'ro', label='I. setosa') plt.plot(class2_x, class2_y, 'kx', label='I. versicolor') plt.plot(class3_x, class3_y, 'gv', label='I. virginica') plt.title('Gaussian SVM Results on Iris Data') plt.xlabel('Pedal Length') plt.ylabel('Sepal Width') plt.legend(loc='lower right') plt.ylim([-0.5, 3.0]) plt.xlim([3.5, 8.5]) plt.show() # Plot batch accuracy plt.plot(batch_accuracy, 'k-', label='Accuracy') plt.title('Batch Accuracy') plt.xlabel('Generation') plt.ylabel('Accuracy') plt.legend(loc='lower right') plt.show() # Plot loss over time plt.plot(loss_vec, 'k-') plt.title('Loss per Generation') plt.xlabel('Generation') plt.ylabel('Loss') plt.show()
輸出:
Instructions for updating:
Use `argmax` instead
Step #25
Loss = -313.391
Step #50
Loss = -650.891
Step #75
Loss = -988.39
Step #100
Loss = -1325.89
山鳶尾花(I.Setosa)非線性高斯SVM模型的多分類(三類)結(jié)果,其中g(shù)amma值為10
重點(diǎn)是改變SVM算法一次性優(yōu)化三類SVM模型。模型參數(shù)b通過增加一個(gè)維度來計(jì)算三個(gè)模型。我們可以看到,使用TensorFlow內(nèi)建功能可以輕松擴(kuò)展算法到多類的相似算法。
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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