Giới Thiệu Về Support Vector Machine (SVM) - Viblo

1. SVM là gì

SVM là một thuật toán giám sát, nó có thể sử dụng cho cả việc phân loại hoặc đệ quy. Tuy nhiên nó được sử dụng chủ yếu cho việc phân loại. Trong thuật toán này, chúng ta vẽ đồi thị dữ liệu là các điểm trong n chiều ( ở đây n là số lượng các tính năng bạn có) với giá trị của mỗi tính năng sẽ là một phần liên kết. Sau đó chúng ta thực hiện tìm "đường bay" (hyper-plane) phân chia các lớp. Hyper-plane nó chỉ hiểu đơn giản là 1 đường thẳng có thể phân chia các lớp ra thành hai phần riêng biệt.

Support Vectors hiểu một cách đơn giản là các đối tượng trên đồ thị tọa độ quan sát, Support Vector Machine là một biên giới để chia hai lớp tốt nhất.

2. SVM làm việc như thế nào

Ở trên, chúng ta đã thấy được việc chia hyper-plane. Bấy giờ làm thế nào chúng ta có thể xác định "Làm sao để vẽ-xác định đúng hyper-plane". Chúng ta sẽ theo các tiêu chí sau:

• Identify the right hyper-plane (Scenario-1):

Ở đây, có 3 đường hyper-lane (A,B and C). Bây giờ đường nào là hyper-lane đúng cho nhóm ngôi sao và hình tròn.

Quy tắc số một để chọn 1 hyper-lane, chọn một hyper-plane để phân chia hai lớp tốt nhất. Trong ví dụ này chính là đường B.

• Identify the right hyper-plane (Scenario-2):

Ở đây chúng ta cũng có 3 đường hyper-plane (A,B và C), theo quy tắc số 1, chúng đều thỏa mãn.

Quy tắc thứ hai chính là xác định khoảng cách lớn nhất từ điểu gần nhất của một lớp nào đó đến đường hyper-plane. Khoảng cách này được gọi là "Margin", Hãy nhìn hình bên dưới, trong đấy có thể nhìn thấy khoảng cách margin lớn nhất đấy là đường C. Cần nhớ nếu chọn lầm hyper-lane có margin thấp hơn thì sau này khi dữ liệu tăng lên thì sẽ sinh ra nguy cơ cao về việc xác định nhầm lớp cho dữ liệu.

• Identify the right hyper-plane (Scenario-3):

Sử dụng các nguyên tắc đã nêu trên để chọn ra hyper-plane cho trường hợp sau:

Có thể có một vài người sẽ chọn đường B bởi vì nó có margin cao hơn đường A, nhưng đấy sẽ không đúng bởi vì nguyên tắc đầu tiên sẽ là nguyên tắc số 1, chúng ta cần chọn hyper-plane để phân chia các lớp thành riêng biệt. Vì vậy đường A mới là lựa chọn chính xác.

• Can we classify two classes (Scenario-4)?

Tiếp the hãy xem hình bên dưới, không thể chia thành hai lớp riêng biệt với 1 đường thẳng, để tạo 1 phần chỉ có các ngôi sao và một vùng chỉ chứa các điểm tròn.

Ở đây sẽ chấp nhận, một ngôi sao ở bên ngoài cuối được xem như một ngôi sao phía ngoài hơn, SVM có tính năng cho phép bỏ qua các ngoại lệ và tìm ra hyper-plane có biên giới tối đa . Do đó có thể nói, SVM có khả năng mạnh trong việc chấp nhận ngoại lệ.

• Find the hyper-plane to segregate to classes (Scenario-5)

Trong trường hợp dưới đây, không thể tìm ra 1 đường hyper-plane tương đối để chia các lớp, vậy làm thế nào để SVM phân tách dữ liệu thành hai lớp riêng biệt? Cho đến bây giờ chúng ta chỉ nhìn vào các đường tuyến tính hyper-plane.

SVM có thể giải quyết vấn đề này, Khá đơn giản, nó sẽ được giải quyết bằng việc thêm một tính năng, Ở đây chúng ta sẽ thêm tính năng z = x^2+ y^2. Bây giờ dữ liệu sẽ được biến đổi theo trục x và z như sau

Trong sơ đồ trên, các điểm cần xem xét là: • Tất cả dữ liệu trên trục z sẽ là số dương vì nó là tổng bình phương x và y • Trên biểu đồ các điểm tròn đỏ xuất hiện gần trục x và y hơn vì thế z sẽ nhỏ hơn => nằm gần trục x hơn trong đồ thị (z,x) Trong SVM, rất dễ dàng để có một siêu phẳng tuyến tính (linear hyper-plane) để chia thành hai lớp, Nhưng một câu hỏi sẽ nảy sinh đấy là, chúng ta có cần phải thêm một tính năng phân chia này bằng tay hay không. Không, bởi vì SVM có một kỹ thuật được gọi là kernel trick ( kỹ thuật hạt nhân), đây là tính năng có không gian đầu vào có chiều sâu thấm và biến đổi nó thành không gian có chiều cao hơn, tức là nó không phân chia các vấn đề thành các vấn đề riêng biệt, các tính năng này được gọi là kernel. Nói một cách đơn giản nó thực hiện một số biết đổi dữ liệu phức tạp, sau đó tìm ra quá trình tách dữ liệu dựa trên các nhãn hoặc đầu ra mà chúng ra đã xác định trước.

3. Margin trong SVM

Margin là khoảng cách giữa siêu phẳng đến 2 điểm dữ liệu gần nhất tương ứng với các phân lớp. Trong ví dụ quả táo quả lê đặt trên mặt bán, margin chính là khoảng cách giữa cây que và hai quả táo và lê gần nó nhất. Điều quan trọng ở đây đó là phương pháp SVM luôn cố gắng cực đại hóa margin này, từ đó thu được một siêu phẳng tạo khoảng cách xa nhất so với 2 quả táo và lê. Nhờ vậy, SVM có thể giảm thiểu việc phân lớp sai (misclassification) đối với điểm dữ liệu mới đưa vào

4. Lập trình tìm nghiệm cho bài toán SVM

Tìm nghiệm cho SVM ta sử dụng trực tiếp thư viện sklearn.

Chúng ta sẽ sử dụng hàm*** sklearn.svm.SVC*** ở đây. Các bài toán thực tế thường sử dụng thư viện libsvm được viết trên ngôn ngữ C, có API cho Python và Matlab.

from sklearn.svm import SVC model = SVC(kernel='linear', probability=True) model.fit(emb_array, labels) #Do somethings.... w = model.coef_ b = model.intercept print('w = ', w) print('b = ', b) 5. Kết luận về bài toán

Là một kĩ thuật phân lớp khá phổ biến, SVM thể hiện được nhiều ưu điểm trong số đó có việc tính toán hiệu quả trên các tập dữ liệu lớn. Có thể kể thêm một số Ưu điểm của phương pháp này như:

• Xử lý trên không gian số chiều cao: SVM là một công cụ tính toán hiệu quả trong không gian chiều cao, trong đó đặc biệt áp dụng cho các bài toán phân loại văn bản và phân tích quan điểm nơi chiều có thể cực kỳ lớn.
• Tiết kiệm bộ nhớ: Do chỉ có một tập hợp con của các điểm được sử dụng trong quá trình huấn luyện và ra quyết định thực tế cho các điểm dữ liệu mới nên chỉ có những điểm cần thiết mới được lưu trữ trong bộ nhớ khi ra quyết định.
• Tính linh hoạt - phân lớp thường là phi tuyến tính. Khả năng áp dụng Kernel mới cho phép linh động giữa các phương pháp tuyến tính và phi tuyến tính từ đó khiến cho hiệu suất phân loại lớn hơn.

Nhược điểm:

• Bài toán số chiều cao: Trong trường hợp số lượng thuộc tính (p) của tập dữ liệu lớn hơn rất nhiều so với số lượng dữ liệu (n) thì SVM cho kết quả khá tồi.
• Chưa thể hiện rõ tính xác suất: Việc phân lớp của SVM chỉ là việc cố gắng tách các đối tượng vào hai lớp được phân tách bởi siêu phẳng SVM. Điều này chưa giải thích được xác suất xuất hiện của một thành viên trong một nhóm là như thế nào. Tuy nhiên hiệu quả của việc phân lớp có thể được xác định dựa vào khái niệm margin từ điểm dữ liệu mới đến siêu phẳng phân lớp mà chúng ta đã bàn luận ở trên.

Kết luận: SVM là một phương pháp hiệu quả cho bài toán phân lớp dữ liệu. Nó là một công cụ đắc lực cho các bài toán về xử lý ảnh, phân loại văn bản, phân tích quan điểm. Một yếu tố làm nên hiệu quả của SVM đó là việc sử dụng Kernel function khiến cho các phương pháp chuyển không gian trở nên linh hoạt hơn.

6. Tư liệu tham khảo

• https://machinelearningcoban.com/2017/04/09/smv/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Support_vector_machine
• https://medium.com/machine-learning-101/chapter-2-svm-support-vector-machine-theory-f0812effc72