[Machine Learning] SVM in Python (2) - Margin, Regularization, Non-linear SVM, Kernel

 

 

Predefined visualization function

간단한 시각화를 위한 함수를 정의했다.

def plot_svc_decision_boundary(svm_clf, xmin, xmax):
    w = svm_clf.coef_[0]
    b = svm_clf.intercept_[0]

    # At the decision boundary, w0*x0 + w1*x1 + b = 0
    # => x1 = -w0/w1 * x0 - b/w1
    x0 = np.linspace(xmin, xmax, 200)
    decision_boundary = -w[0]/w[1] * x0 - b/w[1]

    margin = 1/w[1]
    gutter_up = decision_boundary + margin
    gutter_down = decision_boundary - margin

    svs = svm_clf.support_vectors_
    plt.scatter(svs[:, 0], svs[:, 1], s=180, facecolors='#FFAAAA')
    plt.plot(x0, decision_boundary, "k-", linewidth=2)
    plt.plot(x0, gutter_up, "k--", linewidth=2)
    plt.plot(x0, gutter_down, "k--", linewidth=2)

 

Large margin vs margin violations

iris dataset을 이용한 예제이다.

import numpy as np
from sklearn import datasets
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.svm import LinearSVC

iris = datasets.load_iris()
X = iris["data"][:, (2, 3)]  # petal length, petal width
y = (iris["target"] == 2).astype(np.float64)  # Iris-Virginica

svm_clf = Pipeline([
        ("scaler", StandardScaler()),
        ("linear_svc", LinearSVC(C=1, loss="hinge", random_state=42)),
    ])

svm_clf.fit(X, y)

데이터 $[5.5, 1.7]$이 입력하면 무엇을 예측할까?

svm_clf.predict([[5.5, 1.7]])
# array([1.])

 

Different regularization setting ($C$)

이제 규제 변수가 얼마나 SVM에 영향을 주는지 알아보자.

 

먼저 StandardScaler를 이용하여 input vector의 크기를 정규화하자.(공통)

그리고 하나느 $C=1$로 하고 다른 하나는 $C=100$으로 하자.

scaler = StandardScaler()
svm_clf1 = LinearSVC(C=1, loss="hinge", random_state=42)
svm_clf2 = LinearSVC(C=100, loss="hinge", random_state=42)

scaled_svm_clf1 = Pipeline([
        ("scaler", scaler),
        ("linear_svc", svm_clf1),
    ])
scaled_svm_clf2 = Pipeline([
        ("scaler", scaler),
        ("linear_svc", svm_clf2),
    ])

scaled_svm_clf1.fit(X, y)
scaled_svm_clf2.fit(X, y)

모델 학습이 끝나고 scaled된 데이터를 원래 크기로 복원하자.

# Convert to unscaled parameters
b1 = svm_clf1.decision_function([-scaler.mean_ / scaler.scale_])
b2 = svm_clf2.decision_function([-scaler.mean_ / scaler.scale_])

w1 = svm_clf1.coef_[0] / scaler.scale_
w2 = svm_clf2.coef_[0] / scaler.scale_

svm_clf1.intercept_ = np.array([b1])
svm_clf2.intercept_ = np.array([b2])

svm_clf1.coef_ = np.array([w1])
svm_clf2.coef_ = np.array([w2])

# Find support vectors (LinearSVC does not do this automatically)
t = y * 2 - 1
support_vectors_idx1 = (t * (X.dot(w1) + b1) < 1).ravel()
support_vectors_idx2 = (t * (X.dot(w2) + b2) < 1).ravel()

svm_clf1.support_vectors_ = X[support_vectors_idx1]
svm_clf2.support_vectors_ = X[support_vectors_idx2]

$C$의 값만 바꾼 두 SVC(Support Vector Classifier)를 시각화하자.

plt.figure(figsize=(12,3.2))
plt.subplot(121)
plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "g^", label="Iris-Virginica")
plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "bs", label="Iris-Versicolor")
plot_svc_decision_boundary(svm_clf1, 4, 6)
plt.xlabel("Petal length", fontsize=14)
plt.ylabel("Petal width", fontsize=14)
plt.legend(loc="upper left", fontsize=14)
plt.title("$C = {}$".format(svm_clf1.C), fontsize=16)
plt.axis([4, 6, 0.8, 2.8])

plt.subplot(122)
plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "g^")
plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "bs")
plot_svc_decision_boundary(svm_clf2, 4, 6)
plt.xlabel("Petal length", fontsize=14)
plt.title("$C = {}$".format(svm_clf2.C), fontsize=16)
plt.axis([4, 6, 0.8, 2.8])

Results of two LinearSVC

개념, 이론 설명에서 다뤘듯, 규제변수 $C$가 크면 더 strictly하게 분류하여 margin이 더 작아짐을 알 수 있다.

Non-linear Classification

이제 비선형 분류기를 학습해보자.

make_moons()를 이용하여 두개의 초승달 모양의 데이터를 생성하자.

from sklearn.datasets import make_moons
X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.15, random_state=42)

def plot_dataset(X, y, axes):
    plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "bs")
    plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "g^")
    plt.axis(axes)
    plt.grid(True, which='both')
    plt.xlabel(r"$x_1$", fontsize=20)
    plt.ylabel(r"$x_2$", fontsize=20, rotation=0)

plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.show()

Plot the make_moon

def plot_predictions(clf, axes):
    x0s = np.linspace(axes[0], axes[1], 100)
    x1s = np.linspace(axes[2], axes[3], 100)
    x0, x1 = np.meshgrid(x0s, x1s)
    X = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_pred = clf.predict(X).reshape(x0.shape)
    y_decision = clf.decision_function(X).reshape(x0.shape)
    plt.contourf(x0, x1, y_pred, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.2)
    plt.contourf(x0, x1, y_decision, cmap=plt.cm.brg, alpha=0.1)

Polynomial kernel

3차식, 10차식 커널을 사용하는 SVC를 만들어 학습해보자.

from sklearn.svm import SVC

# poly-3 degrees
poly_kernel_svm_clf = Pipeline([
        ("scaler", StandardScaler()),
        ("svm_clf", SVC(kernel="poly", degree=3, coef0=1, C=5))
    ])
poly_kernel_svm_clf.fit(X, y)

# poly-10 degrees
poly100_kernel_svm_clf = Pipeline([
        ("scaler", StandardScaler()),
        ("svm_clf", SVC(kernel="poly", degree=10, coef0=100, C=5))
    ])
poly100_kernel_svm_clf.fit(X, y)

# ----- plot the result -----
plt.figure(figsize=(11, 4))

plt.subplot(121)
plot_predictions(poly_kernel_svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.title(r"$d=3, r=1, C=5$", fontsize=18)

plt.subplot(122)
plot_predictions(poly100_kernel_svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
plt.title(r"$d=10, r=100, C=5$", fontsize=18)

plt.show()

Results of two polynomial kernel SVC

다항식 차수가 커질수록 더 정확하게 예측하지만, training data에 대하여 overfitting의 위험이 있다.

 

Gaussian kernel

가우시안 커널을 이용한 SVC를 학습해보자.

from sklearn.svm import SVC

gamma1, gamma2 = 0.1, 5
C1, C2 = 0.001, 1000
hyperparams = (gamma1, C1), (gamma1, C2), (gamma2, C1), (gamma2, C2)

svm_clfs = []
for gamma, C in hyperparams:
    rbf_kernel_svm_clf = Pipeline([
            ("scaler", StandardScaler()),
            ("svm_clf", SVC(kernel="rbf", gamma=gamma, C=C))
        ])
    rbf_kernel_svm_clf.fit(X, y)
    svm_clfs.append(rbf_kernel_svm_clf)

plt.figure(figsize=(11, 7))

for i, svm_clf in enumerate(svm_clfs):
    plt.subplot(221 + i)
    plot_predictions(svm_clf, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    plot_dataset(X, y, [-1.5, 2.5, -1, 1.5])
    gamma, C = hyperparams[i]
    plt.title(r"$\gamma = {}, C = {}$".format(gamma, C), fontsize=16)

plt.show()

Results of four Gaussian kernel SVC

감마($\gamma$)가 클 수록, $C$가 클수록 training data에 정확해지고 overfitting의 위험이 있다.