Vince Jiang

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CSCI3230 L04 · Part 1/6 Linear classifier

课程:CSCI3230 (ESTR3108) Fundamentals of Artificial Intelligence · 2026T1 本讲:L04,第 1 部分 / 共 6 部分 · 原件 L04-Support-Vector-Machine-2026T1.pdf(本地课件) p.1–7 定位:沿用线性边界,弄清 SVM 的标签、分数与几何平面,为最大间隔作准备。 前后:下一份 Support Vector Machine

整讲导航:

p.1 标题页;p.2 Outline;p.3 分节页。本讲五部分后另有 ESTR 扩展,导航作为第六部分。

从类别到符号分数(p.4–6)【延伸 L03 p.11–13】

先把“分类”想成一个明确任务:输入一封邮件的若干数字特征,输出“垃圾邮件”或“正常邮件”。p.4 说的是从有类别的训练样本学规则,再用于新样本;不是给每封训练邮件记一个编号。p.5 再限制规则的形状:用一条直线(二维)、一个平面(三维)或超平面(更多维)切开两类。

这里需要的前置知识只有加权求和。设一个样本有两个特征,写成列向量 x=(x1,x2)T∈R2x=(x_1,x_2)^T\in\mathbb R^2;w=(w1,w2)T∈R2w=(w_1,w_2)^T\in\mathbb R^2 是两个待学习的权重。上标 TT 表示转置,让 wTxw^Tx 变成一个数。b∈Rb\in\mathbb R 是额外加上的偏移量,不是第三个样本。p.6 的判别分数是

h(x)=wTx+b=w1x1+w2x2+b. h(x)=w^Tx+b=w_1x_1+w_2x_2+b.

输入是一条二维记录,输出是一个可正可负的数。这个数不是概率;我们现在只取它的符号:大于零输出 +1+1,小于零输出 −1-1。真实标签记为 yy,预测记为 y^\hat y,两者不能因为字母相近就当成同一个量。分数等于零是边界,如何破平局须由实现规定。

补充·从数字看见一条线(数字为演示自取)。令 w=(1,−2)T,b=1w=(1,-2)^T,b=1。对 x=(3,1)Tx=(3,1)^T,先逐项相乘,再相加:1×3+(−2)×1+1=21\times3+(-2)\times1+1=2,所以预测正类。换成 x=(1,2)Tx=(1,2)^T,分数为 1−4+1=−21-4+1=-2,所以预测负类。让分数恰为零就得到 x1−2x2+1=0x_1-2x_2+1=0,也就是 x2=(x1+1)/2x_2=(x_1+1)/2。这条线上的点是零分数,两侧才是预测区域。

为什么说 ww 垂直于边界?取边界上任意两点 u,vu,v,它们都满足 wTu+b=wTv+b=0w^Tu+b=w^Tv+b=0;相减得 wT(u−v)=0w^T(u-v)=0。u−vu-v 沿着边界,而内积为零表示垂直。这样,“法向量”不再是额外要背的词,只是“垂直于边界的向量”。固定 ww 改 bb 会平移边界;改 ww 的相对分量通常会旋转它。

接下来用一个小技巧把两种“判对”写在一起。正类的真实 y=+1y=+1,分数正才对;负类的真实 y=−1y=-1,分数负才对。两种情况下 yh(x)>0yh(x)>0 都成立。若负类分数为 −2-2,乘真实标签得到 (−1)(−2)=2(-1)(-2)=2;若负类被预测为正且分数为 22,乘后为 −2-2,立即暴露错分。这是 SVM 改用 {−1,+1}\{-1,+1\} 标签的原因;若用0代表负类,乘积总是零,就失去了这种信息。

最后检查分数能否直接当“把握程度”。把上例 w,bw,b 都乘2,两个分数变成4与−4,但零分数线仍是同一条,类别也没变。数字变大不能证明边界更好。只有共同正缩放保留类别;共同负缩放会翻转两侧标签。下一篇会除掉这个任意尺度,得到真正的几何距离。

小检查(补充):仍用上例,点 (1,1)T(1,1)^T 在哪里?将所有参数乘3后,它会离边界更远吗?

参考答案

分数 1−2+1=01-2+1=0,点就在边界上。乘3以后仍为零,几何边界没有移动,距离仍为零。不要把“参数更大”理解成“数据点被移动”。

补充 · 分数为零时,符号规则还少一个约定(通识讲解;演示数据不属于原题)。

分类规则常写“正分数判正,负分数判负”,却暂时没有回答恰好零分怎么办。取 f(x)=2x−4f(x)=2x-4,输入 x=2x=2 正好落在边界。它不是被数学自动分到某一类;实现必须约定零归正、归负或单独处理。手算题若没有给约定,应指出在边界上,不凭空断言类别。

对 w,bw,b 同乘正数,边界与两侧类别不变;同乘负数则边界仍不变,但正负两侧交换。因此“缩放不影响分类”必须限定为正缩放。进一步说,同乘正数会改变原始分数大小,几何距离却不会变,因为分子与法向量长度同时缩放。后面的 SVM 正是要先消除这种任意尺度,才能比较间隔。

补充:沿法向量移动,分数究竟改变多少

沿用正文 w=(1,−2)T,b=1w=(1,-2)^T,b=1,从边界点 x0=(1,1)Tx_0=(1,1)^T 出发。法向量长度为 5\sqrt5,单位法向量为 u=w/5u=w/\sqrt5。向正侧移动真实距离 tt,新点为 x=x0+tux=x_0+tu,代入分数得

f(x)=wTx0+b+twTw∥w∥2=0+t5. f(x)=w^Tx_0+b+t\frac{w^Tw}{\lVert w\rVert_2}=0+t\sqrt5.

因此分数除以 5\sqrt5 才恢复移动距离 tt。自取 t=5t=\sqrt5,新点为 (2,−1)T(2,-1)^T,分数 2+2+1=52+2+1=5,几何距离 5/5=55/\sqrt5=\sqrt5。分数5并不是移动了5个长度单位。

若沿边界方向 v=(2,1)Tv=(2,1)^T 移动,则 wTv=2−2=0w^Tv=2-2=0,分数不变。这一对计算把“法向量垂直”变成可检验的效果:沿法向量会改变所在侧和距离,沿边界方向不会。它也说明高维输入中很多坐标组合可能改变而分类分数不变,并不需要每个特征单独保持不变。

历史图的用途(p.7)

p.7 是分类算法的历史位置图,纵轴标成 Subjective Popularity(主观热度)。横轴是年份,图中列出感知机、神经网络、决策树、SVM、随机森林和AdaBoost;它让我们知道这些方法处在同一分类发展脉络中。它没有提供同一测试集、同一评价指标上的实验,因而不能用曲线高低比较准确率。

原图横轴约为1960–2015:感知机一线标注Rosenblatt(1958)与Minsky(1969);神经网络线上出现Linnainmaa(1970)、Werbos,随后是LeCun、Rumelhart、Hinton、Williams、Hecht-Nielsen、Schmidhuber/IDSIA、Hochreiter等名字;决策树ID3标Quinlan,SVM标Vapnik、Cortes,AdaBoost标Freund、Schapire,随机森林标Breiman。右端还画出大规模感知机及神经网络再次上升,圈出SVM并写“Still popular today”。这里的today指原图制作背景,不能当作2026年的热度统计。这幅示意图的作用是说明方法交替兴起、可以长期并存;图中姓名与位置是原图标注,不等于每项发明的完整历史归属。

读本讲时也不需要先掌握图上的所有模型。先抓住一个问题即可:当很多直线都能把训练数据分开,哪一条更值得选择?最大间隔就是接下来加入的选择标准。这里的“更值得”是模型设计准则,不是保证任何数据上的测试表现都优于其他算法。

本讲核心考点

  • SVM 用±1标签,分数符号决定类别(p.6,C 级)。
  • 同比例缩放参数不改变边界(p.6,补充算例)。

附录

本部分没有需要另展的推导或题目演练。

来源与证据

  • 页码按当前本地阅读版 PDF;L04 共69页,未把旧年份讲义当成本学期原件。

  • 原件:L04-Support-Vector-Machine-2026T1.pdf(本地课件),p.1–7;均为当前 PDF 页号。

  • 本次正文逐页核对本讲原件;文末历史题明确标旧年份,只作练习,不据此推断本学期考核要求。

  • 往年卷仅证明相应年份考过;2024 卷及 2025 节选未公开的选择题不作推断。