使用支持向量机训练mnist数据
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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import cPickle
import gzip class SVC(object):
def __init__(self, c=1.0, delta=0.001): # 初始化
self.N = 0
self.delta = delta
self.X = None
self.y = None
self.w = None
self.wn = 0
self.K = np.zeros((self.N, self.N))
self.a = np.zeros((self.N, 1))
self.b = 0
self.C = c
self.stop=1
self.k=0
self.cls=0
self.train_result=[] def kernel_function(self,x1, x2): # 核函数
return np.dot(x1, x2) def kernel_matrix(self, x): # 核矩阵
for i in range(0, len(x)):
for j in range(i, len(x)):
self.K[j][i] = self.K[i][j] = self.kernel_function(self.X[i], self.X[j]) def get_w(self): # 计算更新w
ay = self.a * self.y
w = np.zeros((1, self.wn))
for i in range(0, self.N):
w += self.X[i] * ay[i]
return w def get_b(self, a1, a2, a1_old, a2_old): # 计算更新B
y1 = self.y[a1]
y2 = self.y[a2]
a1_new = self.a[a1]
a2_new = self.a[a2]
b1_new = -self.E[a1] - y1 * self.K[a1][a1] * (a1_new - a1_old) - y2 * self.K[a2][a1] * (
a2_new - a2_old) + self.b
b2_new = -self.E[a2] - y1 * self.K[a1][a2] * (a1_new - a1_old) - y2 * self.K[a2][a2] * (
a2_new - a2_old) + self.b
if (0 < a1_new) and (a1_new < self.C) and (0 < a2_new) and (a2_new < self.C):
return b1_new[0]
else:
return (b1_new[0] + b2_new[0]) / 2.0 def gx(self, x): # 判别函数g(x)
return np.dot(self.w, x) + self.b def satisfy_kkt(self, a): # 判断样本点是否满足kkt条件
index = a[1]
if a[0] == 0 and self.y[index] * self.gx(self.X[index]) > 1:
return 1
elif a[0] < self.C and self.y[index] * self.gx(self.X[index]) == 1:
return 1
elif a[0] == self.C and self.y[index] * self.gx(self.X[index]) < 1:
return 1
return 0 def clip_func(self, a_new, a1_old, a2_old, y1, y2): # 拉格朗日乘子的裁剪函数
if (y1 == y2):
L = max(0, a1_old + a2_old - self.C)
H = min(self.C, a1_old + a2_old)
else:
L = max(0, a2_old - a1_old)
H = min(self.C, self.C + a2_old - a1_old)
if a_new < L:
a_new = L
if a_new > H:
a_new = H
return a_new def update_a(self, a1, a2): # 更新a1,a2
partial_a2 = self.K[a1][a1] + self.K[a2][a2] - 2 * self.K[a1][a2]
if partial_a2 <= 1e-9:
print "error:", partial_a2
a2_new_unc = self.a[a2] + (self.y[a2] * ((self.E[a1] - self.E[a2]) / partial_a2))
a2_new = self.clip_func(a2_new_unc, self.a[a1], self.a[a2], self.y[a1], self.y[a2])
a1_new = self.a[a1] + self.y[a1] * self.y[a2] * (self.a[a2] - a2_new)
if abs(a1_new - self.a[a1]) < self.delta:
return 0
self.a[a1] = a1_new
self.a[a2] = a2_new
self.is_update = 1
return 1 def update(self, first_a): # 更新拉格朗日乘子
for second_a in range(0, self.N):
if second_a == first_a:
continue
a1_old = self.a[first_a]
a2_old = self.a[second_a]
if self.update_a(first_a, second_a) == 0:
return
self.b= self.get_b(first_a, second_a, a1_old, a2_old)
self.w = self.get_w()
self.E = [self.gx(self.X[i]) - self.y[i] for i in range(0, self.N)]
self.stop=0 def train(self, x, y, max_iternum=100): # SMO算法
x_len = len(x)
self.X = x
self.N = x_len
self.wn = len(x[0])
self.y = np.array(y).reshape((self.N, 1))
self.K = np.zeros((self.N, self.N))
self.kernel_matrix(self.X)
self.b = 0
self.a = np.zeros((self.N, 1))
self.w = self.get_w()
self.E = [self.gx(self.X[i]) - self.y[i] for i in range(0, self.N)]
self.is_update = 0
for i in range(0, max_iternum):
self.stop=1
data_on_bound = [[x,y] for x,y in zip(self.a, range(0, len(self.a))) if x > 0 and x< self.C]
if len(data_on_bound) == 0:
data_on_bound = [[x,y] for x,y in zip(self.a, range(0, len(self.a)))]
for data in data_on_bound:
if self.satisfy_kkt(data) != 1:
self.update(data[1])
if self.is_update == 0:
for data in [[x,y] for x,y in zip(self.a, range(0, len(self.a)))]:
if self.satisfy_kkt(data) != 1:
self.update(data[1])
if self.stop:
break
return self.w, self.b def fit(self,x, y): # 训练模型, 一对一法k(k-1)/2个SVM进行多类分类
self.cls, y = np.unique(y, return_inverse=True)
self.k=len(self.cls)
for i in range(self.k):
for j in range(i):
a,b=self.sub_data(x,y,i,j)
self.train_result.append([i,j,self.train(a,b)]) def predict(self,x_new): # 预测
p=np.zeros(self.k)
for i,j,w in self.train_result:
self.w=w[0]
self.b=w[1]
if self.classfy(x_new)==1:
p[j]+=1
else:
p[i]+=1
return self.cls[np.argmax(p)] def sub_data(self,x,y,i,j): # 数据分类
subx=[]
suby=[]
for a,b in zip(x,y):
if b==i:
subx.append(a)
suby.append(-1)
elif b==j:
subx.append(a)
suby.append(1)
return subx,suby def classfy(self,x_new): # 预测
y_new=self.gx(x_new)
cl = int(np.sign(y_new))
if cl == 0:
cl = 1
return cl def load_data():
f = gzip.open('../data/mnist.pkl.gz', 'rb')
training_data, validation_data, test_data = cPickle.load(f)
f.close()
return (training_data, validation_data, test_data) if __name__ == "__main__":
svc = SVC()
np.random.seed(0)
l=1000
training_data, validation_data, test_data = load_data()
svc.fit(training_data[0][:l],training_data[1][:l])
predictions = [svc.predict(a) for a in test_data[0][:l]]
num_correct = sum(int(a == y) for a, y in zip(predictions, test_data[1][:l]))
print "%s of %s values correct." % (num_correct, len(test_data[1][:l])) #72/100 #808/1000 #8194/10000(较慢)
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