CSCI3230 L04 · Part 3/6 Kernel SVM
课程:CSCI3230 (ESTR3108) Fundamentals of Artificial Intelligence · 2026T1 本讲:L04,第 3 部分 / 共 6 部分 · 原件 L04-Support-Vector-Machine-2026T1.pdf(本地课件) p.32–41 定位:区分显式特征映射与核函数,用内积计算在高维空间训练而不显式展开特征。 前后:上一份 Support Vector Machine · 下一份 Soft-margin SVM
p.32 分节页。
在原空间分不开,换什么(p.33–35)【新】
上一部分的方法要求一条直线能把两类完全分开。如果正类集中在圆心附近,负类围在外圈,一条直线只能把平面切成两个半平面,不能单独圈住中间。p.33–34此时改变的是描述样本的坐标,不是把标签偷偷调换,也不是把求解器再运行久一点。
先区分原特征与新特征。原输入 有两个数字;p.35给一个固定映射
是函数名,读作“phi”;它接收一个二维点,输出一个三维点。三项依次是第一坐标平方、第二坐标平方、两个坐标的交叉乘积再乘 。这个根号不是随意装饰,稍后内积展开会用到它。
补充·数值例(自取):点 的新坐标是 。令新空间权重 ,则新分数为 。对 ,新分数为 。输入仍是二维记录,只是计算规则用了它的平方特征。
令分数为零,得到 ,在原平面里是一条圆;若把新坐标叫 ,同一条件是 ,在新空间里是平面。所以“高维线性”和“原空间非线性”可以同时成立,所说的空间不同。
这里的例子把圆外判正、圆内判负;若任务标签相反,可把权重和偏移同乘−1。映射本身没规定正负方向,方向由训练决定。也不能认为随便升维都有效:若映射把异类点映到同一坐标,任何线性分类器仍无法分开。训练与新样本必须使用同一个可计算函数,不能给训练点人工编号后就说学会了泛化。
核函数计算的是内积(p.36–38)
p.36把训练约束的 换成 ,原理不变,但显式展开可能很长。p.37观察到对偶训练只需要新向量之间的内积,因此定义
输入是两个原空间样本,输出是一个标量。映射 输出向量,核 输出内积,二者不能混叫“把点升维的函数”。可以类比两份长清单的匹配分数,但数学结论必须是确实等于同一映射下的内积,不能把任意相似度都当合法核。
继续上节的映射,补充取 。显式新坐标为 与 ,内积为 。原内积为 ,平方也为16。这样就有希望不用写三维向量,直接算 ;下一节证明它对任意输入都成立,而不是只对这一对数字巧合。
p.36–38的两幅公式图完整连接如下。映射到 维以后,:
固定映射后,其对偶为
把每个映射内积换成 就是核对偶;可行条件没有变。原页红色删除线与箭头表示这次替换,并不是把二次项删去。求出乘子后可用 恢复偏移,其中 ,条件同硬间隔。p.37对一般 维二次映射比较复杂度:展开平方与交叉项需要 项,而先算一个原内积再平方只需 。这里比较的是一次核值计算,不能据此把整个SVM训练复杂度写成 。
训练时,原对偶中的每个 替成 ,求出的未知数仍是每样本一个 。预测时,p.38使用
先算新点与第 个训练点的核值,再乘该点的带符号权重,再把各项求和加偏移,最后才看符号。核值自身不是类别或概率。
补充·预测走一遍(只演示计算,不声称这些是某题最优参数):用上面的二次核,取两个存储点 ,标签分别+1、−1,乘子都为0.5,偏移0。对新点 ,两个核值为4和1,分数 ,预测正类。即使核值都非负,标签的正负仍使最终分数可正可负。
核技巧节约的是显式展开高维特征的一类成本,不是免费训练。 个样本的完整核矩阵有 个位置;1000个样本就是100万个核值。选择线性模型、核模型时,特征维度与样本数都要考虑。
讲义核函数小测(p.39–40)
题面(L04-Support-Vector-Machine-2026T1.pdf · Quiz · p.39)
p.39 Which of the following function can be the kernel function of the transformation:
In other words, which one can make ?
A
B
C
D
E
公式按讲义重排。下面保留原问题的全部候选,再逐步判断。
p.39问:对于上节三维映射,哪个表达式等于 ?候选B为 ,p.40通过展开验证。下面逐步走,不只记选项。
设两点为 。换短字母只为避免下标挤在一起,没有更换题目。映射后分别为 和 。对应坐标相乘后相加:
第一行是内积定义;第二行把因子重排并使用 ;第三行认出平方和公式;最后一行把短记号换回原内积。若映射第三坐标少了 ,交叉项系数会变成1,这个核就不再匹配。
p.39的向量相除候选没有定义成标准内积运算,不需要替它发明一种含义。做映射核题的可靠方法是从内积定义展开,而不是看到“平方特征”就无条件猜平方核。
小检查(补充):把 改成 ,原来的平方核仍成立吗?
参考答案
不成立。新内积只有 ,没有交叉项 。例如两个点都为 ,新内积为2,而原内积的平方为4。这一反例已足以否定“对所有输入相同”。
补充 · 名字叫相似度,还不一定能当内积核(通识讲解;演示数据不属于原题)。
内积核有一个可以检查的后果:对任意样本和实数系数 ,必须有 。原因是该和等于 ,平方长度不能负。这就是核矩阵半正定的来源,不是要求表格中每个元素都为正。
演示两样本的候选“相似度矩阵”为 ,全部元素为正且对称;取 ,二次型为 ,所以不能来自普通实内积映射。反过来,一个矩阵里出现负的非对角项也不自动非法:向量夹角大于直角,内积本来就能为负。
核函数把隐式特征空间的几何带进优化,不能只凭“两个对象越像就给越大数”保证 SVM 对偶仍具有需要的凸优化性质。具体核的参数条件也要一起保留。
补充:两个点已经足以否决一个“相似度核”
自编候选相似度在两点上的矩阵是 。它对称、对角为正、所有条目都正,看起来并不奇怪。但取系数向量 ,有 ,所以它不能是实内积特征映射在这两个点上的Gram矩阵。
为什么这个检验有效?若 ,则
左边就是二次型,右边是一个向量长度的平方,绝不可能为负。此例等价于要求两个长度都为1的向量内积为2,已违反内积的几何限制。
发现一组样本不半正定,就能否决“对所有样本合法”的说法;但检查一组样本恰好半正定,不能证明函数对任意输入集合都合法。要证明平方多项式核,正文给出的显式映射对任意输入成立,证据强度与一个数值矩阵测试不同。分清反例和一般证明,才不会把程序测过一个矩阵当作核函数定理。
常见核与不同任务(p.41)
p.41列出下面三类核(公式按讲义重排)。参数不是训练样本的坐标,而是决定比较方式的超参数。
| 名称 | 本页形式 | 怎样读 |
|---|---|---|
| 多项式 | 先内积,再取正整数次数;此处是次数,不是前文特征维度 | |
| Sigmoid | 内积缩放平移后经过双曲正切 | |
| Gaussian / RBF | 由距离决定相似性,为宽度 |
原图还附三段用途说明:多项式核在原变量的多项式特征空间度量相似性;sigmoid形式与神经元双曲正切激活、双层感知机模型联系起来;Gaussian被介绍为没有明确数据先验时可尝试的变换。三张曲线依次展示多项式起伏、sigmoid饱和与Gaussian钟形。它们不是三套数据的分类边界,也不证明sigmoid-SVM等同于任意训练好的双层网络。
补充·RBF数值直觉:令 。同一点到自身距离0,指数为0,核值1;两点距离2,平方距离4,指数为−2,核值约0.1353。若仍相距2但把宽度改成2,指数变成−0.5,核值约0.6065。同样距离被较大的宽度认为更相似。这里1并不表示“属于正类的概率100%”,只是核值最大。
更小的宽度使每个样本的影响更局部,更大的宽度让远点也彼此相似。下一篇的 是另一个旋钮:它控制违反间隔的代价。一个改变输入的比较方式,一个改变训练目标里的权衡,不能混成同一个“复杂度参数”。实际库也可能用 ,这时 变大反而对应宽度变小。
补充·适用边界:多项式库实现可能加入缩放和常数,不一定正好是本页的齐次形式;sigmoid并非任意参数、任意输入范围都满足正半定核条件。所谓合法内积核,意味着任意有限样本产生的Gram矩阵符合相应内积性质,而不是仅仅公式看起来平滑。第一次学习先会核值和映射的区别,不必先证明一般核定理。
历史一维映射几何练习见附录 A1。它属于2025T1官方节选中的题,不据此断言2026T1考试安排。
本讲核心考点
- 核函数直接计算映射后内积(p.37–40,A 级:往年卷 SVM 映射题)。
- 原空间非线性边界可以来自高维线性分类器(p.33–35,A 级)。
附录
A1 作业/往年题演练(非讲义内容):一维传感器点的二维映射
题面(Final-Exam-CSCI3230-Record-2025T1-官方节选.pdf · Part III Q1 · PDF p.3;扫描件,视觉读取)
p.3 1. (5%) A robot is using a SVM classifier for 1D sensor. The data is found to be not linearly separable. The training data points are:
Positive (+):
Negative (-):
To solve this, a feature mapping function is used to project the data into a 2D space.
(a) Calculate the 2D coordinates for all four data points after applying the mapping . Then, draw these 4 points in the 2D space and write the function of the line of decision boundary. (2%)
(b) In this new 2D space, which of the points are the support vectors? (2%)
(c) If the robot collects one more negative data point at , would its mapped position in the 2D space affect the decision boundary (margin) you drew in (a)? Justify your answer. (1%)
公式按原题重排。这里以当前实际核对的2025官方节选PDF p.3为题面;页上印刷页码是6,不能混作PDF页号。它是旧年份的几何练习,不代表当前学期题目。
(a) 先映射,再画线。 用 表示新坐标,避免把一维输入与二维点混叫 。映射规则 ,逐点计算:
| 原编号 | 原输入 | 计算第二坐标 | 新坐标 | 标签 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | +1 | ||
| 2 | 1 | −1 | ||
| 3 | 3 | +1 | ||
| 4 | 4 | +1 |
现在找的是新平面的直线。计算 :正点1、3号都是1,4号为5;负点2号为−1。于是正侧支撑线 、负侧支撑线 ,中线 。规范参数 ,范数 ,总宽度 。
为什么这不是“随便画条可分线”?1号正点与2号负点的距离为 。任何候选间隔都不能超过这对异类点之间的距离;本候选已达到它,所以是最大间隔。水平中线 虽也可分,却只有宽1,不是最优。
(b) 先声明支持向量定义。 按“落在支撑面上”的几何定义,1、2、3号都贴面,4号严格在外。按“非零对偶系数”的计算定义,本例可取 ,其余零;合成 ,已经满足全部条件。3号贴面却可零系数,这是退化例子,不要把它当矛盾。答题写清两种含义,比声称未经证实的唯一官方判分更可靠。
(c) 新负点先用同一映射,再验旧约束。 映成 ,旧分数为 ;负标签乘后为1.25,已经在旧负支撑面外。旧解仍满足新点约束;1、2号造成的间隔上界也没有消失,因此原最大间隔仍最优,边界与宽度保持。
这个步骤说明不能凭原一维坐标左右移动来猜边界变化。真正要比较的是映射后的坐标及功能间隔,新增训练点与新增测试点的用途也不同。
来源与证据
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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。
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原件:L04-Support-Vector-Machine-2026T1.pdf(本地课件),p.32–41;均为当前 PDF 页号。
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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。
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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。