支持向量机(SVM)中拉格朗日函数对w求导

xiaoxiao2021-02-28  37

首先给出拉格朗日函数:

L(w,b,α)=12w2i=1Nαiyi(wxi+b)+i=1Nαi1 L ( w , b , α ) = 1 2 ∥ w ∥ 2 − ∑ i = 1 N α i y i ( w ⋅ x i + b ) + ∑ i = 1 N α i ( 公 式 1 )

然后对 w w 求偏导并令其等于0:

L(w,b,α)w=wL(w,b,α)=wi=1Nαiyixi=02∂L(w,b,α)∂w=∇wL(w,b,α)=w−∑i=1Nαiyixi=0(公式2)

在这个式子中用到了标量函数对向量求导,也就是:

w(12w2)=w3 ∂ ∂ w ( 1 2 ∥ w ∥ 2 ) = w ( 公 式 3 )

那么这一步是怎么得到的呢?这就涉及到矩阵微分的知识。

实值函数相对于实向量的梯度

相对于 n×1 n × 1 向量 x x 的梯度算子记作x∇x,定义为

x=def[x1,x2,,xn]T=x(4) ∇ x = d e f [ ∂ ∂ x 1 , ∂ ∂ x 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , ∂ ∂ x n ] T = ∂ ∂ x ( 公 式 4 )

因此,以 n×1 n × 1 向量 x x 为变元的实标量函数f(x)f(x)相对于 x x 的梯度为一个n×1n×1的列向量,定义为

xf(x)=def[f(x)x1,f(x)x2,,f(x)xn]T=f(x)x(5) ∇ x f ( x ) = d e f [ ∂ f ( x ) ∂ x 1 , ∂ f ( x ) ∂ x 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , ∂ f ( x ) ∂ x n ] T = ∂ f ( x ) ∂ x ( 公 式 5 )

从梯度的定义可以看出: 1、一个以向量为变元的标量函数的梯度为一个向量。 2、梯度的每个分量给出了标量函数在该分量方向上的变化率。

类似地,实值函数 f(x) f ( x ) 相对于 1×n 1 × n 行向量 xT x T 的梯度为 1×n 1 × n 行向量,定义为

f(x)x=def[f(x)x1,f(x)x2,,f(x)xn]=xTf(x)(6) ∂ f ( x ) ∂ x = d e f [ ∂ f ( x ) ∂ x 1 , ∂ f ( x ) ∂ x 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , ∂ f ( x ) ∂ x n ] = ∇ x T f ( x ) ( 公 式 6 )

根据(公式5)的定义,可以来计算(公式3),设 w w m×1m×1的列向量

12w2=12wTw=12i=1mwi2(7) 1 2 ∥ w ∥ 2 = 1 2 w T ⋅ w = 1 2 ∑ i = 1 m w i 2 ( 公 式 7 )

可求出梯度 w(12w2) ∂ ∂ w ( 1 2 ∥ w ∥ 2 ) 的第k个分量为

[w(12w2)]k=wk(12i=1mwi2)=12×2wk=wk(8) [ ∂ ∂ w ( 1 2 ∥ w ∥ 2 ) ] k = ∂ ∂ w k ( 1 2 ∑ i = 1 m w i 2 ) = 1 2 × 2 w k = w k ( 公 式 8 )

于是

w(12w2)=w(9) ∂ ∂ w ( 1 2 ∥ w ∥ 2 ) = w ( 公 式 9 )

类似地,在最小二乘法中也有这个求导,不过里面还用到了链式法则。在此就不赘述了。

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