# -*-coding:utf-8 -*- import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import random class optStruct: """ 數據結構,維護全部須要操做的值 Parameters: dataMatIn - 數據矩陣 classLabels - 數據標籤 C - 鬆弛變量 toler - 容錯率 kTup - 包含核函數信息的元組,第一個參數存放核函數類別,第二個參數存放必要的核函數須要用到的參數 """ def __init__(self, dataMatIn, classLabels, C, toler, kTup): self.X = dataMatIn #數據矩陣 self.labelMat = classLabels #數據標籤 self.C = C #鬆弛變量 self.tol = toler #容錯率 self.m = np.shape(dataMatIn)[0] #數據矩陣行數 self.alphas = np.mat(np.zeros((self.m,1))) #根據矩陣行數初始化alpha參數爲0 self.b = 0 #初始化b參數爲0 self.eCache = np.mat(np.zeros((self.m,2))) #根據矩陣行數初始化虎偏差緩存,第一列爲是否有效的標誌位,第二列爲實際的偏差E的值。 self.K = np.mat(np.zeros((self.m,self.m))) #初始化核K for i in range(self.m): #計算全部數據的核K self.K[:,i] = kernelTrans(self.X, self.X[i,:], kTup) def kernelTrans(X, A, kTup): """ 經過核函數將數據轉換更高維的空間 Parameters: X - 數據矩陣 A - 單個數據的向量 kTup - 包含核函數信息的元組 Returns: K - 計算的核K """ m,n = np.shape(X) K = np.mat(np.zeros((m,1))) if kTup[0] == 'lin': K = X * A.T #線性核函數,只進行內積。 elif kTup[0] == 'rbf': #高斯核函數,根據高斯核函數公式進行計算 for j in range(m): deltaRow = X[j,:] - A K[j] = deltaRow*deltaRow.T K = np.exp(K/(-1*kTup[1]**2)) #計算高斯核K else: raise NameError('核函數沒法識別') return K #返回計算的核K def loadDataSet(fileName): """ 讀取數據 Parameters: fileName - 文件名 Returns: dataMat - 數據矩陣 labelMat - 數據標籤 """ dataMat = []; labelMat = [] fr = open(fileName) for line in fr.readlines(): #逐行讀取,濾除空格等 lineArr = line.strip().split('\t') dataMat.append([float(lineArr[0]), float(lineArr[1])]) #添加數據 labelMat.append(float(lineArr[2])) #添加標籤 return dataMat,labelMat def calcEk(oS, k): """ 計算偏差 Parameters: oS - 數據結構 k - 標號爲k的數據 Returns: Ek - 標號爲k的數據偏差 """ fXk = float(np.multiply(oS.alphas,oS.labelMat).T*oS.K[:,k] + oS.b) Ek = fXk - float(oS.labelMat[k]) return Ek def selectJrand(i, m): """ 函數說明:隨機選擇alpha_j的索引值 Parameters: i - alpha_i的索引值 m - alpha參數個數 Returns: j - alpha_j的索引值 """ j = i #選擇一個不等於i的j while (j == i): j = int(random.uniform(0, m)) return j def selectJ(i, oS, Ei): """ 內循環啓發方式2 Parameters: i - 標號爲i的數據的索引值 oS - 數據結構 Ei - 標號爲i的數據偏差 Returns: j, maxK - 標號爲j或maxK的數據的索引值 Ej - 標號爲j的數據偏差 """ maxK = -1; maxDeltaE = 0; Ej = 0 #初始化 oS.eCache[i] = [1,Ei] #根據Ei更新偏差緩存 validEcacheList = np.nonzero(oS.eCache[:,0].A)[0] #返回偏差不爲0的數據的索引值 if (len(validEcacheList)) > 1: #有不爲0的偏差 for k in validEcacheList: #遍歷,找到最大的Ek if k == i: continue #不計算i,浪費時間 Ek = calcEk(oS, k) #計算Ek deltaE = abs(Ei - Ek) #計算|Ei-Ek| if (deltaE > maxDeltaE): #找到maxDeltaE maxK = k; maxDeltaE = deltaE; Ej = Ek return maxK, Ej #返回maxK,Ej else: #沒有不爲0的偏差 j = selectJrand(i, oS.m) #隨機選擇alpha_j的索引值 Ej = calcEk(oS, j) #計算Ej return j, Ej #j,Ej def updateEk(oS, k): """ 計算Ek,並更新偏差緩存 Parameters: oS - 數據結構 k - 標號爲k的數據的索引值 Returns: 無 """ Ek = calcEk(oS, k) #計算Ek oS.eCache[k] = [1,Ek] #更新偏差緩存 def clipAlpha(aj,H,L): """ 修剪alpha_j Parameters: aj - alpha_j的值 H - alpha上限 L - alpha下限 Returns: aj - 修剪後的alpah_j的值 """ if aj > H: aj = H if L > aj: aj = L return aj def innerL(i, oS): """ 優化的SMO算法 Parameters: i - 標號爲i的數據的索引值 oS - 數據結構 Returns: 1 - 有任意一對alpha值發生變化 0 - 沒有任意一對alpha值發生變化或變化過小 """ #步驟1:計算偏差Ei Ei = calcEk(oS, i) #優化alpha,設定必定的容錯率。 if ((oS.labelMat[i] * Ei < -oS.tol) and (oS.alphas[i] < oS.C)) or ((oS.labelMat[i] * Ei > oS.tol) and (oS.alphas[i] > 0)): #使用內循環啓發方式2選擇alpha_j,並計算Ej j,Ej = selectJ(i, oS, Ei) #保存更新前的aplpha值,使用深拷貝 alphaIold = oS.alphas[i].copy(); alphaJold = oS.alphas[j].copy(); #步驟2:計算上下界L和H if (oS.labelMat[i] != oS.labelMat[j]): L = max(0, oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) H = min(oS.C, oS.C + oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) else: L = max(0, oS.alphas[j] + oS.alphas[i] - oS.C) H = min(oS.C, oS.alphas[j] + oS.alphas[i]) if L == H: print("L==H") return 0 #步驟3:計算eta eta = 2.0 * oS.K[i,j] - oS.K[i,i] - oS.K[j,j] if eta >= 0: print("eta>=0") return 0 #步驟4:更新alpha_j oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j] * (Ei - Ej)/eta #步驟5:修剪alpha_j oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j],H,L) #更新Ej至偏差緩存 updateEk(oS, j) if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001): print("alpha_j變化過小") return 0 #步驟6:更新alpha_i oS.alphas[i] += oS.labelMat[j]*oS.labelMat[i]*(alphaJold - oS.alphas[j]) #更新Ei至偏差緩存 updateEk(oS, i) #步驟7:更新b_1和b_2 b1 = oS.b - Ei- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,i] - oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[i,j] b2 = oS.b - Ej- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,j]- oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[j,j] #步驟8:根據b_1和b_2更新b if (0 < oS.alphas[i]) and (oS.C > oS.alphas[i]): oS.b = b1 elif (0 < oS.alphas[j]) and (oS.C > oS.alphas[j]): oS.b = b2 else: oS.b = (b1 + b2)/2.0 return 1 else: return 0 def smoP(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter, kTup = ('lin',0)): """ 完整的線性SMO算法 Parameters: dataMatIn - 數據矩陣 classLabels - 數據標籤 C - 鬆弛變量 toler - 容錯率 maxIter - 最大迭代次數 kTup - 包含核函數信息的元組 Returns: oS.b - SMO算法計算的b oS.alphas - SMO算法計算的alphas """ oS = optStruct(np.mat(dataMatIn), np.mat(classLabels).transpose(), C, toler, kTup) #初始化數據結構 iter = 0 #初始化當前迭代次數 entireSet = True; alphaPairsChanged = 0 while (iter < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)): #遍歷整個數據集都alpha也沒有更新或者超過最大迭代次數,則退出循環 alphaPairsChanged = 0 if entireSet: #遍歷整個數據集 for i in range(oS.m): alphaPairsChanged += innerL(i,oS) #使用優化的SMO算法 print("全樣本遍歷:第%d次迭代 樣本:%d, alpha優化次數:%d" % (iter,i,alphaPairsChanged)) iter += 1 else: #遍歷非邊界值 nonBoundIs = np.nonzero((oS.alphas.A > 0) * (oS.alphas.A < C))[0] #遍歷不在邊界0和C的alpha for i in nonBoundIs: alphaPairsChanged += innerL(i,oS) print("非邊界遍歷:第%d次迭代 樣本:%d, alpha優化次數:%d" % (iter,i,alphaPairsChanged)) iter += 1 if entireSet: #遍歷一次後改成非邊界遍歷 entireSet = False elif (alphaPairsChanged == 0): #若是alpha沒有更新,計算全樣本遍歷 entireSet = True print("迭代次數: %d" % iter) return oS.b,oS.alphas #返回SMO算法計算的b和alphas def testRbf(k1 = 1.3): """ 測試函數 Parameters: k1 - 使用高斯核函數的時候表示到達率 Returns: 無 """ dataArr,labelArr = loadDataSet('testSetRBF.txt') #加載訓練集 b,alphas = smoP(dataArr, labelArr, 200, 0.0001, 100, ('rbf', k1)) #根據訓練集計算b和alphas datMat = np.mat(dataArr); labelMat = np.mat(labelArr).transpose() svInd = np.nonzero(alphas.A > 0)[0] #得到支持向量 sVs = datMat[svInd] labelSV = labelMat[svInd]; print("支持向量個數:%d" % np.shape(sVs)[0]) m,n = np.shape(datMat) errorCount = 0 for i in range(m): kernelEval = kernelTrans(sVs,datMat[i,:],('rbf', k1)) #計算各個點的核 predict = kernelEval.T * np.multiply(labelSV,alphas[svInd]) + b #根據支持向量的點,計算超平面,返回預測結果 if np.sign(predict) != np.sign(labelArr[i]): errorCount += 1 #返回數組中各元素的正負符號,用1和-1表示,並統計錯誤個數 print("訓練集錯誤率: %.2f%%" % ((float(errorCount)/m)*100)) #打印錯誤率 dataArr,labelArr = loadDataSet('testSetRBF2.txt') #加載測試集 errorCount = 0 datMat = np.mat(dataArr); labelMat = np.mat(labelArr).transpose() m,n = np.shape(datMat) for i in range(m): kernelEval = kernelTrans(sVs,datMat[i,:],('rbf', k1)) #計算各個點的核 predict=kernelEval.T * np.multiply(labelSV,alphas[svInd]) + b #根據支持向量的點,計算超平面,返回預測結果 if np.sign(predict) != np.sign(labelArr[i]): errorCount += 1 #返回數組中各元素的正負符號,用1和-1表示,並統計錯誤個數 print("測試集錯誤率: %.2f%%" % ((float(errorCount)/m)*100)) #打印錯誤率 def showDataSet(dataMat, labelMat): """ 數據可視化 Parameters: dataMat - 數據矩陣 labelMat - 數據標籤 Returns: 無 """ data_plus = [] #正樣本 data_minus = [] #負樣本 for i in range(len(dataMat)): if labelMat[i] > 0: data_plus.append(dataMat[i]) else: data_minus.append(dataMat[i]) data_plus_np = np.array(data_plus) #轉換爲numpy矩陣 data_minus_np = np.array(data_minus) #轉換爲numpy矩陣 plt.scatter(np.transpose(data_plus_np)[0], np.transpose(data_plus_np)[1]) #正樣本散點圖 plt.scatter(np.transpose(data_minus_np)[0], np.transpose(data_minus_np)[1]) #負樣本散點圖 plt.show() if __name__ == '__main__': testRbf()
執行結果:html
# -*- coding: UTF-8 -*- import numpy as np import operator from os import listdir from sklearn.svm import SVC def img2vector(filename): """ 將32x32的二進制圖像轉換爲1x1024向量。 Parameters: filename - 文件名 Returns: returnVect - 返回的二進制圖像的1x1024向量 """ #建立1x1024零向量 returnVect = np.zeros((1, 1024)) #打開文件 fr = open(filename) #按行讀取 for i in range(32): #讀一行數據 lineStr = fr.readline() #每一行的前32個元素依次添加到returnVect中 for j in range(32): returnVect[0, 32*i+j] = int(lineStr[j]) #返回轉換後的1x1024向量 return returnVect def handwritingClassTest(): """ 手寫數字分類測試 Parameters: 無 Returns: 無 """ #測試集的Labels hwLabels = [] #返回trainingDigits目錄下的文件名 trainingFileList = listdir('trainingDigits') #返回文件夾下文件的個數 m = len(trainingFileList) #初始化訓練的Mat矩陣,測試集 trainingMat = np.zeros((m, 1024)) #從文件名中解析出訓練集的類別 for i in range(m): #得到文件的名字 fileNameStr = trainingFileList[i] #得到分類的數字 classNumber = int(fileNameStr.split('_')[0]) #將得到的類別添加到hwLabels中 hwLabels.append(classNumber) #將每個文件的1x1024數據存儲到trainingMat矩陣中 trainingMat[i,:] = img2vector('trainingDigits/%s' % (fileNameStr)) clf = SVC(C=200,kernel='rbf') clf.fit(trainingMat,hwLabels) #返回testDigits目錄下的文件列表 testFileList = listdir('testDigits') #錯誤檢測計數 errorCount = 0.0 #測試數據的數量 mTest = len(testFileList) #從文件中解析出測試集的類別並進行分類測試 for i in range(mTest): #得到文件的名字 fileNameStr = testFileList[i] #得到分類的數字 classNumber = int(fileNameStr.split('_')[0]) #得到測試集的1x1024向量,用於訓練 vectorUnderTest = img2vector('testDigits/%s' % (fileNameStr)) #得到預測結果 # classifierResult = classify0(vectorUnderTest, trainingMat, hwLabels, 3) classifierResult = clf.predict(vectorUnderTest) print("分類返回結果爲%d\t真實結果爲%d" % (classifierResult, classNumber)) if(classifierResult != classNumber): errorCount += 1.0 print("總共錯了%d個數據\n錯誤率爲%f%%" % (errorCount, errorCount/mTest * 100)) if __name__ == '__main__': handwritingClassTest()