什么是SMO算法

SMO算法（Sequential Minimal Optimization） 是一种用于求解 支持向量机（SVM） 二次规划对偶问题的优化算法。它由 John Platt 在 1998 年提出，目的是快速解决 SVM 的优化问题，特别是当数据集较大时，传统的二次规划方法效率较低，而 SMO 算法通过分解问题，使得计算变得更加高效。

SVM 的二次规划问题回顾

支持向量机的优化问题本质上是一个 凸二次规划问题，其目标是找到最优的超平面，使得样本点的分类间隔最大。具体来说，SVM 的对偶问题形式为：
$$\underset{\alpha }{\min }\frac{1}{2}\sum _{i=1}^N\sum _{j=1}^N{\alpha }_i{\alpha }_j{y}_i{y}_{j}K(x_i,x_j)-\sum _{i=1}^N{\alpha }_i$$

$$\text{s.t.}\sum _{i=1}^N{\alpha }_i{y}_i=0,0\le {\alpha }_i\le C$$

其中：

• ${\alpha }_i$ 是拉格朗日乘子。
• $y_i$ 是样本点 $x_i$ 的类别标签。
• $K(x_i,x_j)$ 是核函数，表示样本之间的相似性。
• $C$ 是惩罚参数。

这个问题涉及到对所有 $N$ 个拉格朗日乘子 $\alpha$ 进行优化，传统的优化算法如 内点法 或 QP（Quadratic Programming） 方法在处理大规模问题时效率较低。

SMO 算法的基本思想

SMO 算法通过将原始的优化问题分解为多个 子问题 来求解，每次仅优化两个拉格朗日乘子 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$，其余乘子保持不变。优化两个变量的子问题可以通过简单的解析方法快速求解，从而大大减少了计算的复杂度。

SMO算法的步骤：

1. 选择两个拉格朗日乘子：
   SMO算法每次选择两个拉格朗日乘子 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 进行优化。选择这两个乘子的原则是，它们不满足 KKT条件，即当前的解不是最优的。

2. 构建子优化问题：
   假设所有其他拉格朗日乘子保持不变，SMO通过优化两个乘子 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 来最小化目标函数。优化问题变成了一个关于 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 的二次函数，且由于存在约束 ${\sum }_{i=1}^N{\alpha }_i{y}_i=0$，因此这两个变量之间有一个线性关系。

3. 更新两个拉格朗日乘子的值：
   SMO 通过解析的方法计算出新的 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 值，并根据边界 $[0,C]$ 进行截断。计算后的两个新的乘子必须满足所有约束条件。

4. 更新偏置项 $b$：
   每次更新两个拉格朗日乘子后，SMO 需要更新支持向量机中的偏置项 $b$，以保证分类超平面保持正确。

5. 迭代重复：
   SMO 通过不断重复选择一对拉格朗日乘子进行优化，直到所有的乘子都满足 KKT 条件，即算法收敛。

SMO 算法的核心优化过程

SMO 算法的核心在于，它将每次优化问题简化为一个涉及两个变量的二次规划问题。假设我们要优化 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$，我们可以通过以下步骤来求解：

1. 计算未约束解：根据优化目标函数，我们可以直接计算出未约束的 ${\alpha }_2^{\text{new, unc}}$，即不考虑任何约束时最优的 ${\alpha }_2$ 值。

$${\alpha }_2^{\text{new, unc}}={\alpha }_2^{\text{old}}+y_2\cdot \frac{E_1-E_2}{K_{11}+K_{22}-2K_{12}}$$

其中 $E_1$ 和 $E_2$ 是预测误差，$K_{11}$、$K_{22}$ 和 $K_{12}$ 是核函数的值。

2. 对 ${\alpha }_2$ 进行截断：未约束的 ${\alpha }_2$ 值可能不满足约束 $0\le {\alpha }_2\le C$，因此需要将其截断为一个满足约束条件的值。

3. 更新 ${\alpha }_1$：由于 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 之间有线性约束关系，更新 ${\alpha }_2$ 后可以直接更新 ${\alpha }_1$。

4. 更新偏置项 $b$：每次更新 ${\alpha }_1$ 和 ${\alpha }_2$ 后，需要更新偏置项 $b$，以保证分类超平面的正确性。

SMO 算法的优势

1. 局部优化效率高：每次只需要优化两个变量，计算非常快。通过反复优化不同的拉格朗日乘子对，SMO 可以快速逼近最优解。

2. 避免矩阵操作：传统的二次规划方法通常需要对大矩阵进行操作，而 SMO 通过只处理两个变量，避免了对整个矩阵的求解，减少了计算复杂度。

3. 适用于大规模问题：SMO 算法能够很好地处理大规模的数据集，尤其是当样本数量很大时，传统方法难以处理的问题，SMO 也能有效求解。

SMO 算法的局限

• 选择变量的策略：SMO 的效率在很大程度上取决于选择哪两个乘子来进行优化。如果选择策略不好，算法可能收敛较慢。
• 对初始点敏感：SMO 对初始值的选择较为敏感，不同的初始值可能导致不同的收敛速度。

总结

SMO 是一种非常有效的算法，特别适合用于大规模支持向量机的训练。通过不断地优化两个拉格朗日乘子，它极大地简化了支持向量机的二次规划问题。由于每次只处理两个变量，SMO 避免了传统方法中的矩阵运算，因此能够处理较大的数据集并且计算速度很快。