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人工智能 1995

支持向量网络

科琳娜·科尔特斯 与 弗拉基米尔·瓦普尼克(AT&T 贝尔实验室)

用最宽的间隔把两类分开——而它落在何处,只由边界上那几个点说了算。

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In depth · the introduction

在所有能把两群点分开的直线里,支持向量机偏偏只挑一条——留出最多回旋余地的那条;而正是这一个选择,让它的泛化如此出色。

把这个想法拆开看

假设你手里有两类东西——比方说垃圾邮件与正常邮件——每一封都用若干数字来描述,你想要一条规则把它们分开。从几何上看,你是在找一条直线(在更高的维度里,是一张平展的面),让一类落在一边、另一类落在另一边。通常,许多条线都行得通。哪一条最好?

支持向量机的回答是:在两侧都留下最宽空隙的那条。它把边界尽量推离两类各自最近的样本,好让在「一个略有不同的新样本被判错」之前,留有尽可能多的余地。妙的是,唯有最近的那几个样本——支持向量——才要紧;其余的统统消失,这条线也不会动。

它从哪里来

这套方法生长于 AT&T 贝尔实验室——正是那座成就了晶体管与信息论的传奇之地。弗拉基米尔·瓦普尼克在苏联花了几十年,构筑一套关于「学习」的数学理论;移居美国后,他与同事把它化作了一个算法。1992 年的一篇论文,处理了两类能被完美分开的干净情形。随后在 1995 年,科琳娜·科尔特斯与瓦普尼克发表了《支持向量网络》,补上了应对杂乱、相互交叠之真实数据的关键能力——这套方法,就此腾飞。

它为何重要

在深度学习重新崛起之前,支持向量机是实用机器学习的主力。它准确,带有关于「何时能够泛化」的真正数学保证,又能借一个叫作「核技巧」的巧妙捷径,画出弯曲而复杂的边界,同时仍只在求解一个简单、性情温良、答案唯一的问题。有十五年之久,它都是「要被打败」的那个标杆。

一个精确的类比

想象在两片住宅区之间,修一条尽可能宽的马路。你不在乎深嵌在各自街区里的房子;唯有最靠近对面的那些房子,才约束着马路能修多宽、又该修在哪里。那几栋边界上的房子,就是支持向量。挪动内部的一栋,马路毫无变化;轻推一栋边界上的,整条马路就会移位。在下方的点上,亲手试试。

一张两类点的可交互散点图,配一根旋转笔直分界线的滑块。对每一个角度,控件都为两类之间那条空「街道」着色,画出它的两条间隔边缘,并圈出抵住边缘的支持向量,同时以读数显示当前的间隔宽度与可达到的最宽间隔;专家面板另列出间隔、最大间隔、直线角度与支持向量的数目。

它落在何处

这是机器学习的一大支脉:统计学习——它追求的是「可被证明的泛化」,而非受大脑启发的接线方式。它与神经网络一脉同列于本馆的 AI 书架——罗森布拉特的感知机、鲁梅尔哈特的反向传播,以及后来超越了它的 AlexNet 与 Transformer 等深度网络。但在 1990 与 2000 年代的大半时光里,支持向量机一直默默地赢着。

The original document
Original source text
C. Cortes & V. Vapnik · Machine Learning 20(3): 273–297 · 1995
Abstract
The support-vector network is a new learning machine for two-group classification problems.
The machine conceptually implements the following idea: input vectors are non-linearly mapped to a very high-dimension feature space. In this feature space a linear decision surface is constructed. Special properties of the decision surface ensures high generalization ability of the learning machine.
The abstract continues that the idea had previously been implemented only for the separable case; that this paper extends it to non-separable training data; and that the resulting classifier is benchmarked against classical learning algorithms on optical character recognition.
The optimal hyperplane
The paper takes the separating boundary that maximizes the margin between the two classes as the optimal hyperplane, and shows it is determined by a small subset of the training vectors — the support vectors — which lie exactly on the margin.
Soft margin
To handle data that cannot be separated without error, the authors introduce non-negative slack variables and a penalty, allowing some points to violate the margin while keeping the boundary as wide as possible. This soft margin is the central new contribution of the 1995 paper.
Convolution of the dot-product (kernels)
Because the optimization depends on the data only through dot products, each dot product is replaced by a kernel function — equivalent to constructing the optimal hyperplane in a high-dimensional feature space without ever computing the mapping explicitly. Polynomial kernels are used in the experiments.
[ … ]
Experiments
On the U.S. Postal Service handwritten-digit benchmark the support-vector network attains an error rate of about 4%, comparable to the best competing methods of the day — evidence for the high generalization ability claimed in the abstract.
AT&T Bell Laboratories · 1995