译者:@rickllyxu
为了理解对偶性,你首先得理解拉格朗日乘子法。它基本思想是将一个有约束优化问题转化为一个无约束优化问题,其方法是将约束条件移动到目标函数中去。让我们看一个简单的例子,例如要找到合适的 和 使得函数 最小化,且其约束条件是一个等式约束:。使用拉格朗日乘子法,我们首先定义一个函数,称为拉格朗日函数:。每个约束条件(在这个例子中只有一个)与新的变量(称为拉格朗日乘数)相乘,作为原目标函数的减数。
Joseph-Louis Lagrange 大牛证明了如果 是原约束优化问题的解,那么一定存在一个 ,使得 是拉格朗日函数的驻点(驻点指的是,在该点处,该函数所有的偏导数均为 0)。换句话说,我们可以计算拉格朗日函数 关于 以及 的偏导数;然后我们可以找到那些偏导数均为 0 的驻点;最后原约束优化问题的解(如果存在)一定在这些驻点里面。
在上述例子里,偏导数为
当这些偏导数均为 0 时,即 ,即可得 。这是唯一一个驻点,那它一定是原约束优化问题的解。然而,上述方法仅应用于等式约束,幸运的是,在某些正则性条件下,这种方法也可被一般化应用于不等式约束条件(例如不等式约束,)。如下公式 C-1 ,给了 SVM 硬间隔问题时的一般化拉格朗日函数。在该公式中, 是 KKT 乘子,它必须大于或等于 0。
译者注
就像拉格朗日乘子法,我们可以计算上述式子的偏导数、定位驻点。如果该原问题存在一个解,那它一定在驻点 之中,且遵循 KKT 条件:
- 遵循原问题的约束:, 对于
- 遵循现问题里的约束,即
- 或者第
i
个约束条件是积极约束,意味着该等式成立:。这个条件叫做 互补松弛条件。它暗示了 和第i
个样本位于 SVM 间隔的边界上(该样本是支持向量)。
注意 KKT 条件是确定驻点是否为原问题解的必要条件。在某些条件下,KKT 条件也是充分条件。幸运的是,SVM 优化问题碰巧满足这些条件,所以任何满足 KKT 条件的驻点保证是原问题的解。
我们可以计算上述一般化拉格朗日函数关于w
和b
的偏导数,如公式 C-2。
令上述偏导数为 0,可得到公式 C-3。
如果我们把上述式子代入到一般化拉格朗日函数(公式 C-1)中,某些项会消失,从而得到公式 C-4,并称之为原问题的对偶形式。
现在该对偶形式的目标是找到合适的向量 ,使得该函数 最小化,且 。现在这个有约束优化问题正是我们苦苦追寻的对偶问题。
一旦你找到了最优的 ,你可以利用公式 C-3 第一行计算 。为了计算 ,你可以使用支持向量的已知条件 ,当第 k 个样本是支持向量时(即它对应的 ),此时使用它计算 。对了,我们更喜欢利用所有支持向量计算一个平均值,以获得更稳定和更准确的结果,如公式 C-5。