上節課我們主要介紹了Soft-Margin SVM，即如果允許有分類錯誤的點存在，那麼在原來的Hard-Margin SVM中新增新的懲罰因子C，修正原來的公式，得到新的\alpha_n值。最終的到的\alpha_n有個上界，上界就是C。Soft-Margin SVM權衡了large-margin和error point之前的關係，目的是在儘可能犯更少錯誤的前提下，得到最大分類邊界。本節課將把Soft-Margin SVM和我們之前介紹的Logistic Regression聯絡起來，研究如何使用kernel技巧來解決更多的問題。
1. Soft-Margin SVM as Regularized Model
先複習一下我們已經介紹過的內容，我們最早開始講了Hard-Margin Primal的數學表示式，然後推導了Hard-Margin Dual形式。後來，為了允許有錯誤點的存在（或者noise），也為了避免模型過於複雜化，造成過擬合，我們建立了Soft-Margin Primal的數學表示式，並引入了新的引數C作為權衡因子，然後也推導了其Soft-Margin Dual形式。因為Soft-Margin Dual SVM更加靈活、便於調整引數，所以在實際應用中，使用Soft-Margin Dual SVM來解決分類問題的情況更多一些。
Soft-Margin Dual SVM有兩個應用非常廣泛的工具包，分別是Libsvm和Liblinear。 Libsvm和Liblinear都是國立臺灣大學的Chih-Jen Lin博士開發的，Chih-Jen Lin的個人網站為：Welcome to Chih-Jen Lin’s Home Page
下面我們再來回顧一下Soft-Margin SVM的主要內容。我們的出發點是用\xi_n來表示margin violation，即犯錯值的大小，沒有犯錯對應的\xi_n=0。然後將有條件問題轉化為對偶dual形式，使用QP來得到最佳化的解。
從另外一個角度來看，\xi_n描述的是點(x_n,y_n) 距離y_n(w^Tz_n+b)=1的邊界有多遠。第一種情況是violating margin，即不滿足y_n(w^Tz_n+b)\geq1。那麼\xi_n可表示為：\xi_n=1-y_n(w^Tz_n+b)>0。第二種情況是not violating margin，即點(x_n,y_n) 在邊界之外，滿足y_n(w^Tz_n+b)\geq1的條件，此時\xi_n=0。我們可以將兩種情況整合到一個表示式中，對任意點：
\xi_n=max(1-y_n(w^Tz_n+b),0)
上式表明，如果有voilating margin，則1-y_n(w^Tz_n+b)>0，\xi_n=1-y_n(w^Tz_n+b)；如果not violating margin，則1-y_n(w^Tz_n+b)<0，\xi_n=0。整合之後，我們可以把Soft-Margin SVM的最小化問題寫成如下形式：
\frac12w^Tw+C\sum_{n=1}^Nmax(1-y_n(w^Tz_n+b),0)
經過這種轉換之後，表徵犯錯誤值大小的變數\xi_n就被消去了，轉而由一個max操作代替。
為什麼要將把Soft-Margin SVM轉換為這種unconstrained form呢？我們再來看一下轉換後的形式，其中包含兩項，第一項是w的內積，第二項關於y和w，b，z的表示式，似乎有點像一種錯誤估計\hat{err}，則類似這樣的形式：
min\ \frac12w^Tw+C\sum\hat{err}
看到這樣的形式我們應該很熟悉，因為之前介紹的L2 Regularization中最優化問題的表示式跟這個是類似的：
min\ \frac{\lambda}{N}w^Tw+\frac1N\sum err
這裡提一下，既然unconstrained form SVM與L2 Regularization的形式是一致的，而且L2 Regularization的解法我們之前也介紹過，那麼為什麼不直接利用這種方法來解決unconstrained form SVM的問題呢？有兩個原因。一個是這種無條件的最優化問題無法通過QP解決，即對偶推導和kernel都無法使用；另一個是這種形式中包含的max()項可能造成函式並不是處處可導，這種情況難以用微分方法解決。
我們在第一節課中就介紹過Hard-Margin SVM與Regularization Model是有關係的。Regularization的目標是最小化E_{in}，條件是w^Tw\leq C，而Hard-Margin SVM的目標是最小化w^Tw，條件是E_{in}=0，即它們的最小化目標和限制條件是相互對調的。對於L2 Regularization來說，條件和最優化問題結合起來，整體形式寫成：
\frac{\lambda}{N}w^Tw+E_{in}
而對於Soft-Margin SVM來說，條件和最優化問題結合起來，整體形式寫成：
\frac12w^Tw+CN\hat{E_{in}}
通過對比，我們發現L2 Regularization和Soft-Margin SVM的形式是相同的，兩個式子分別包含了引數\lambda和C。Soft-Margin SVM中的large margin對應著L2 Regularization中的short w，也就是都讓hyperplanes更簡單一些。我們使用特別的\hat{err}來代表可以容忍犯錯誤的程度，即soft margin。L2 Regularization中的\lambda和Soft-Margin SVM中的C也是相互對應的，\lambda越大，w會越小，Regularization的程度就越大；C越小，\hat{E_{in}}會越大，相應的margin就越大。所以說增大C，或者減小\lambda，效果是一致的，Large-Margin等同於Regularization，都起到了防止過擬合的作用。
建立了Regularization和Soft-Margin SVM的關係，接下來我們將嘗試看看是否能把SVM作為一個regularized的模型進行擴充套件，來解決其它一些問題。
2. SVM versus Logistic Regression
上一小節，我們已經把Soft-Margin SVM轉換成無條件的形式：
上式中第二項的max(1-y_n(w^Tz_n+b),0)倍設定為\hat{err}。下面我們來看看\hat{err}與之前再二元分類中介紹過的err_{0/1}有什麼關係。
對於err_{0/1}，它的linear score s=w^Tz_n+b，當ys\geq0時，err_{0/1}=0；當ys<0時，err_{0/1}=1，呈階梯狀，如下圖所示。而對於\hat{err}，當ys\geq0時，err_{0/1}=0；當ys<0時，err_{0/1}=1-ys，呈折線狀，如下圖所示，通常把\hat{err}_{svm}稱為hinge error measure。比較兩條error曲線，我們發現\hat{err}_{svm}始終在err_{0/1}的上面，則\hat{err}_{svm}可作為err_{0/1}的上界。所以，可以使用\hat{err}_{svm}來代替err_{0/1}，解決二元線性分類問題，而且\hat{err}_{svm}是一個凸函式，使它在最佳化問題中有更好的性質。
緊接著，我們再來看一下logistic regression中的error function。邏輯迴歸中，err_{sce}=log_2(1+exp(-ys))，當ys=0時，err_{sce}=1。它的err曲線如下所示。
很明顯，err_{sce}也是err_{0/1}的上界，而err_{sce}與\hat{err}_{svm}也是比較相近的。因為當ys趨向正無窮大的時候，err_{sce}和\hat{err}_{svm}都趨向於零；當ys趨向負無窮大的時候，err_{sce}和\hat{err}_{svm}都趨向於正無窮大。正因為二者的這種相似性，我們可以把SVM看成是L2-regularized logistic regression。
總結一下，我們已經介紹過幾種Binary Classification的Linear Models，包括PLA，Logistic Regression和Soft-Margin SVM。PLA是相對簡單的一個模型，對應的是err_{0/1}，通過不斷修正錯誤的點來獲得最佳分類線。它的優點是簡單快速，缺點是隻對線性可分的情況有用，線性不可分的情況需要用到pocket演算法。Logistic Regression對應的是err_{sce}，通常使用GD/SGD演算法求解最佳分類線。它的優點是凸函式err_{sce}便於最優化求解，而且有regularization作為避免過擬合的保證；缺點是err_{sce}作為err_{0/1}的上界，當ys很小（負值）時，上界變得更寬鬆，不利於最優化求解。Soft-Margin SVM對應的是\hat{err}_{svm}，通常使用QP求解最佳分類線。它的優點和Logistic Regression一樣，凸優化問題計算簡單而且分類線比較“粗壯”一些；缺點也和Logistic Regression一樣，當ys很小（負值）時，上界變得過於寬鬆。其實，Logistic Regression和Soft-Margin SVM都是在最佳化err_{0/1}的上界而已。
至此，可以看出，求解regularized logistic regression的問題等同於求解soft-margin SVM的問題。反過來，如果我們求解了一個soft-margin SVM的問題，那這個解能否直接為regularized logistic regression所用？來預測結果是正類的機率是多少，就像regularized logistic regression做的一樣。我們下一小節將來解答這個問題。
3. SVM for Soft Binary Classification
接下來，我們探討如何將SVM的結果應用在Soft Binary Classification中，得到是正類的概率值。
第一種簡單的方法是先得到SVM的解(b_{svm},w_{svm})，然後直接代入到logistic regression中，得到g(x)=\theta(w_{svm}^Tx+b_{svm})。這種方法直接使用了SVM和logistic regression的相似性，一般情況下表現還不錯。但是，這種形式過於簡單，與logistic regression的關聯不大，沒有使用到logistic regression中好的性質和方法。
第二種簡單的方法是同樣先得到SVM的解(b_{svm},w_{svm})，然後把(b_{svm},w_{svm})作為logistic regression的初始值，再進行迭代訓練修正，速度比較快，最後，將得到的b和w代入到g(x)中。這種做法有點顯得多此一舉，因為並沒有比直接使用logistic regression快捷多少。
這兩種方法都沒有融合SVM和logistic regression各自的優勢，下面構造一個模型，融合了二者的優勢。構造的模型g(x)表示式為：
g(x)=\theta(A\cdot(w_{svm}^T\Phi(x)+b_{svm})+B)
與上述第一種簡單方法不同，我們額外增加了放縮因子A和平移因子B。首先利用SVM的解(b_{svm},w_{svm})來構造這個模型，放縮因子A和平移因子B是待定係數。然後再用通用的logistic regression優化演算法，通過迭代優化，得到最終的A和B。一般來說，如果(b_{svm},w_{svm})較為合理的話，滿足A>0且B\approx0。
那麼，新的logistic regression表示式為：
這個表示式看上去很複雜，其實其中的(b_{svm},w_{svm})已經在SVM中解出來了，實際上的未知引數只有A和B兩個。歸納一下，這種Probabilistic SVM的做法分為三個步驟：
這種soft binary classifier方法得到的結果跟直接使用SVM classifier得到的結果可能不一樣，這是因為我們引入了係數A和B。一般來說，soft binary classifier效果更好。至於logistic regression的解法，可以選擇GD、SGD等等。
4. Kernel Logistic Regression
上一小節我們介紹的是通過kernel SVM在z空間中求得logistic regression的近似解。如果我們希望直接在z空間中直接求解logistic regression，通過引入kernel，來解決最優化問題，又該怎麼做呢？SVM中使用kernel，轉化為QP問題，進行求解，但是logistic regression卻不是個QP問題，看似好像沒有辦法利用kernel來解決。
我們先來看看之前介紹的kernel trick為什麼會work，kernel trick就是把z空間的內積轉換到x空間中比較容易計算的函式。如果w可以表示為z的線性組合，即w_*=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n的形式，那麼乘積項w_*^Tz=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n^Tz=\sum_{n=1}^N\beta_nK(x_n,x)，即其中包含了z的內積。也就是w可以表示為z的線性組合是kernel trick可以work的關鍵。
我們之前介紹過SVM、PLA包擴logistic regression都可以表示成z的線性組合，這也提供了一種可能，就是將kernel應用到這些問題中去，簡化z空間的計算難度。
有這樣一個理論，對於L2-regularized linear model，如果它的最小化問題形式為如下的話，那麼最優解w_*=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n。
下面給出簡單的證明，假如最優解w_*=w_{||}+w_{\bot}。其中，w_{||}和w_{\bot}分別是平行z空間和垂直z空間的部分。我們需要證明的是w_{\bot}=0。利用反證法，假如w_{\bot}\neq0，考慮w_*與w_{||}的比較。第一步先比較最小化問題的第二項：err(y,w_*^Tz_n)=err(y_n,(w_{||}+w_{\bot})^Tz_n=err(y_n,w_{||}^Tz_n)，即第二項是相等的。然後第二步比較第一項：w_*^Tw_*=w_{||}^Tw_{||}+2w_{||}^Tw_{\bot}+w_{\bot}^Tw_{\bot}>w_{||}^Tw_{||}，即w_*對應的L2-regularized linear model值要比w_{||}大，這就說明w_*並不是最優解，從而證明w_{\bot}必然等於零，即w_*=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n一定成立，w_*一定可以寫成z的線性組合形式。
經過證明和分析，我們得到了結論是任何L2-regularized linear model都可以使用kernel來解決。
現在，我們來看看如何把kernel應用在L2-regularized logistic regression上。上面我們已經證明了w_*一定可以寫成z的線性組合形式，即w_*=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n。那麼我們就無需一定求出w_*，而只要求出其中的\beta_n就行了。怎麼求呢？直接將w_*=\sum_{n=1}^N\beta_nz_n代入到L2-regularized logistic regression最小化問題中，得到：
上式中，所有的w項都換成\beta_n來表示了，變成了沒有條件限制的最優化問題。我們把這種問題稱為kernel logistic regression，即引入kernel，將求w的問題轉換為求\beta_n的問題。
從另外一個角度來看Kernel Logistic Regression（KLR）：
上式中log項裡的\sum_{m=1}^N\beta_mK(x_m,x_n)可以看成是變數\beta和K(x_m,x_n)的內積。上式第一項中的\sum_{n=1}^N\sum_{m=1}^N\beta_n\beta_mK(x_n,x_m)可以看成是關於\beta的正則化項\beta^TK\beta。所以，KLR是\beta的線性組合，其中包含了kernel內積項和kernel regularizer。這與SVM是相似的形式。
但值得一提的是，KLR中的\beta_n與SVM中的\alpha_n是有區別的。SVM中的\alpha_n大部分為零，SV的個數通常是比較少的；而KLR中的\beta_n通常都是非零值。
5. 總結
本節課主要介紹了Kernel Logistic Regression。首先把Soft-Margin SVM解釋成Regularized Model，建立二者之間的聯絡，其實Soft-Margin SVM就是一個L2-regularization，對應著hinge error messure。然後利用它們之間的相似性，討論瞭如何利用SVM的解來得到Soft Binary Classification。方法是先得到SVM的解，再在logistic regression中引入引數A和B，迭代訓練，得到最佳解。最後介紹了Kernel Logistic Regression，證明L2-regularized logistic regression中，最佳解w_*一定可以寫成z的線性組合形式，從而可以將kernel引入logistic regression中，使用kernel思想在z空間直接求解L2-regularized logistic regression問題。
註明：
文章中所有的圖片均來自臺灣大學林軒田《機器學習技法》課程
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