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一、算法核心思想
支持向量机（SVM） 是一种强大的监督学习算法，核心思想是通过寻找最优超平面实现分类或回归：
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分类目标：找到能最大化两类数据间隔的超平面
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回归目标：找到包含最多数据点的ε带
关键概念图解
超平面：w·x + b = 0/ \/ \ +1 | 支持向量 |-1| ● ● || ● ● || ● ● ||_________________|最大间隔(margin)
二、数学原理与优化问题
1. 线性可分情况
目标函数：
\min_{w,b} \frac{1}{2}||w||^2 \quad s.t. \quad y_i(w·x_i + b) \geq 1
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w：法向量，决定超平面方向 -
b：偏置项，决定超平面位置 -
支持向量：满足y_i(w·x_i + b) = 1的样本点
2. 非线性情况（核技巧）
通过核函数将数据映射到高维空间：
K(x_i, x_j) = \phi(x_i)·\phi(x_j)
三、Python手写实现（线性SVM）
import numpy as npclass SVM:def __init__(self, C=1.0, lr=0.01, epochs=1000):self.C = C # 正则化参数self.lr = lr # 学习率self.epochs = epochsdef fit(self, X, y):n_samples, n_features = X.shapeself.w = np.zeros(n_features)self.b = 0# 转换为+1/-1标签y_ = np.where(y <= 0, -1, 1)# 梯度下降优化for _ in range(self.epochs):for idx, x_i in enumerate(X):condition = y_[idx] * (np.dot(x_i, self.w) - self.b) >= 1if condition:self.w -= self.lr * (2 * self.C * self.w)else:self.w -= self.lr * (2 * self.C * self.w - np.dot(x_i, y_[idx]))self.b -= self.lr * y_[idx]def predict(self, X):return np.sign(np.dot(X, self.w) - self.b)四、Scikit-Learn实战应用
from sklearn.svm import SVC, SVR
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.preprocessing import StandardScaler# 创建数据集
X, y = make_classification(n_samples=1000, n_features=20, n_classes=2)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)# 数据标准化（SVM对尺度敏感）
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)# 创建SVM分类器
svm_clf = SVC(C=1.0, # 正则化强度（越小容忍度越高）kernel='rbf', # 核函数类型gamma='scale', # 核函数系数probability=True, # 启用概率预测random_state=42
)# 训练与评估
svm_clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = svm_clf.predict(X_test)
print(f"Accuracy: {accuracy_score(y_test, y_pred):.4f}")# 获取支持向量
print(f"支持向量数量: {len(svm_clf.support_vectors_)}")五、核函数选择指南
| 核函数 | 公式 | 适用场景 | 复杂度 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 线性 | K(x_i,x_j)=x_i·x_j | 线性可分数据 | O(n) | ||||
| 多项式 | K(x_i,x_j)=(γx_i·x_j + r)^d | 中等复杂度 | O(n^d) | ||||
| RBF（高斯） | `K(x_i,x_j)=exp(-γ | x_i-x_j | ²)` | 复杂非线性数据 | O(n^2) | ||
| Sigmoid | K(x_i,x_j)=tanh(γx_i·x_j + r) | 神经网络近似 | O(n^2) |
经验法则：首选RBF核，当特征数>>样本数时用线性核
六、关键参数调优
from sklearn.model_selection import GridSearchCVparam_grid = {'C': [0.1, 1, 10, 100],'gamma': ['scale', 'auto', 0.1, 1, 10],'kernel': ['rbf', 'linear', 'poly']
}grid = GridSearchCV(SVC(),param_grid,cv=5,scoring='accuracy',n_jobs=-1
)
grid.fit(X_train, y_train)print("最佳参数:", grid.best_params_)
print("最佳分数:", grid.best_score_)七、SVM回归（SVR）
from sklearn.svm import SVR
from sklearn.datasets import fetch_california_housing# 加载回归数据集
housing = fetch_california_housing()
X, y = housing.data, housing.target# 创建SVR模型
svr = SVR(kernel='rbf',C=1.0,epsilon=0.2 # 间隔带宽度
)svr.fit(X_train, y_train)
y_pred = svr.predict(X_test)
print(f"R² Score: {svr.score(X_test, y_test):.3f}")八、支持向量可视化（Matplotlib）
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.decomposition import PCA# 降维可视化
pca = PCA(n_components=2)
X_pca = pca.fit_transform(X_train)plt.figure(figsize=(10, 8))
plt.scatter(X_pca[:, 0], X_pca[:, 1], c=y_train, cmap='coolwarm', alpha=0.6)# 绘制支持向量
sv_indices = svm_clf.support_
plt.scatter(X_pca[sv_indices, 0], X_pca[sv_indices, 1],s=100, facecolors='none', edgecolors='k',label='支持向量'
)# 绘制决策边界
ax = plt.gca()
xlim = ax.get_xlim()
ylim = ax.get_ylim()xx = np.linspace(xlim[0], xlim[1], 30)
yy = np.linspace(ylim[0], ylim[1], 30)
YY, XX = np.meshgrid(yy, xx)
xy = np.vstack([XX.ravel(), YY.ravel()]).T
Z = svm_clf.decision_function(pca.inverse_transform(xy)).reshape(XX.shape)ax.contour(XX, YY, Z, colors='k', levels=[-1, 0, 1], alpha=0.5, linestyles=['--', '-', '--'])
plt.legend()
plt.title('SVM决策边界与支持向量')
plt.show()九、SVM优缺点分析
优点：
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在高维空间中表现优异
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对过拟合有较强鲁棒性（通过正则化）
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决策边界仅依赖支持向量（内存高效）
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适用多种数据类型（核技巧）
缺点：
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大规模数据训练慢（O(n²)~O(n³)）
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需要精细调参（C, γ）
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对缺失数据和噪声敏感
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结果可解释性差（相比决策树）
十、性能优化策略
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数据预处理：
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标准化/归一化（必须）
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特征选择（减少噪声）
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算法加速：
from sklearn.svm import LinearSVC # 线性核专用优化linear_svc = LinearSVC(dual=False, # 当n_samples > n_features时loss='squared_hinge',C=1.0 ) -
大规模训练：
# 使用增量学习 svm_clf = SVC(kernel='rbf', cache_size=1000)# 或使用近似算法 from sklearn.kernel_approximation import Nystroemfeature_map = Nystroem(gamma=0.2, n_components=300) X_transformed = feature_map.fit_transform(X)
十一、多类分类策略
| 方法 | 原理 | 特点 |
|---|---|---|
| 一对一（OvO） | 构建k(k-1)/2个二分类器 | 训练快，适合大数据 |
| 一对多（OvR） | 构建k个二分类器 | 训练慢，常用默认 |
| 有向无环图（DAG） | 层级决策 | 预测高效 |
# Scikit-Learn自动选择策略
svm_multi = SVC(decision_function_shape='ovr') # 一对多十二、典型应用场景
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图像识别：手写数字分类（MNIST）
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生物信息：基因序列分类
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文本分类：垃圾邮件检测
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金融风控：欺诈交易识别
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医学诊断：肿瘤良恶性预测
黄金实践：
始终标准化数据
先用RBF核进行实验
使用网格搜索调优C和γ
检查支持向量比例（理想<20%）
大数据集使用LinearSVC或核近似
SVM作为经典算法，在小样本、高维数据和非线性问题中仍具竞争力。掌握其数学本质和调优技巧，可构建强大分类模型。当遇到复杂模式识别问题时，SVM常能提供超出简单模型的性能表现。