SVM作为机器学习里面的经典算法在实际中一直被广泛采用,而且其准确性也是非常之高,特别是在引入了核函数之后对识别性能变得非常高。
说明:本文不打算就SVM原理就深入分析,虽然对其原理略懂一二,但是对于SMO算法的理解确实比较浅,所以也不打算班门弄斧,略微介绍,本文重点在于SVM的应用,也就是对垃圾邮件的文本分类
关于支持向量机的原理性分析在CSDN上有July大神的博客 :http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/7624837,我就之略微介绍一下原理
一,SVM原理象征性简述:
SVM主要应用是分类操作,以二元线性分类为例,主要思想是根据特征向量的超空间创建一条超平面分隔线,当然在加入核函数后,可以把非线性分类映射到高维空间使之成为线性分类,而在求参数的过程中会使用SMO算法选取参数,会有不错的性能
二,SVM对垃圾邮件的分类:
这篇文章中的SVM的python实现代码参考自《Machine Learning in Action》一书,其训练数据来自该书的朴素贝叶斯分类一章,朴素贝叶斯也是一种比较简单而实用的分类方法,这里是使用了那一章的邮件数据
步骤说明:
1,提取训练邮件数据的特征向量
由于邮件的内容很多,因此找出其主要的分类关键词尤为关键,在找出关键词后就可以用这些关键词对邮件进行特征标记,也就是如果关键词在这篇文章中标记为1不出现则标记为0
其中每一个邮件类别中的关键词的选取方法有很多,我决定采用 TF-IDF方法选取关键词,在计算IDF的时候,考虑到我们是对整个类邮件进行分类,因此就没有采用IDF的传统计算方法,而是计算这词语在整个类邮件中的邮件占比,也就是出现该词语的文档数量除以文档总数量
关于 TF-IDF的介绍见百度百科
http://baike.baidu.com/link?url=oYpXqrTb6yQB1KaNUl8LS-01gUsy09s0w9JGpPq4QH8s_AzFI796tvWXnXtoGtpW-WAvLrKYwhsHp1l3i3JGpK
在得出所有的词语的TF-IDF数后,我选取数最大的前100个词作为这一类邮件的关键词(每个类不重复的词语数量大概在300多个)
得到关键词后我们就可以对每个邮件进行特征向量标记了,每个邮件由100个特征值标记,也就是对每个上文提出的关键词,如果这个邮件存在这个词语就标记为1,如果不存在,那么这个词语就标记为0,
这样就可以得出了每个邮件的特征向量值了
2,将步骤1得到的特征值使用SVM训练,本文的SVM代码实现基本是基于李航的《统计学习方法》一书,因为本文不是来叙述原理的,所以也略过不表,在这个例子中使用了rbf作为核函数
3,得到训练模型后就可以使用交叉验证方法验证数据的正确性了,具体的说,就是使用50个训练数据中的40个邮件的特征向量训练数据,使用剩下的10个邮件的特征向量作为测试向量
还是那句话,代码是硬道理,下面直接上代码
SVM主要代码:
# -*- coding: utf-8 -*- from numpy import * from time import sleep import matplotlib.pyplot as plt def loadDataSet(fileName): dataMat = []; labelMat = [] fr = open(fileName) for line in fr.readlines(): lineArr = line.strip().split('\t') dataMat.append([float(lineArr[0]), float(lineArr[1])]) labelMat.append(float(lineArr[2])) return dataMat,labelMat def selectJrand(i,m): j=i #we want to select any J not equal to i while (j==i): j = int(random.uniform(0,m)) return j def clipAlpha(aj,H,L): if aj > H: aj = H if L > aj: aj = L return aj def smoSimple(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter): dataMatrix = mat(dataMatIn); labelMat = mat(classLabels).transpose() b = 0; m,n = shape(dataMatrix) alphas = mat(zeros((m,1))) iter = 0 while (iter < maxIter): alphaPairsChanged = 0 for i in range(m): fXi = float(multiply(alphas,labelMat).T*(dataMatrix*dataMatrix[i,:].T)) + b Ei = fXi - float(labelMat[i])#if checks if an example violates KKT conditions if ((labelMat[i]*Ei < -toler) and (alphas[i] < C)) or ((labelMat[i]*Ei > toler) and (alphas[i] > 0)): j = selectJrand(i,m) fXj = float(multiply(alphas,labelMat).T*(dataMatrix*dataMatrix[j,:].T)) + b Ej = fXj - float(labelMat[j]) alphaIold = alphas[i].copy(); alphaJold = alphas[j].copy(); if (labelMat[i] != labelMat[j]): L = max(0, alphas[j] - alphas[i]) H = min(C, C + alphas[j] - alphas[i]) else: L = max(0, alphas[j] + alphas[i] - C) H = min(C, alphas[j] + alphas[i]) if L==H: print "L==H"; continue eta = 2.0 * dataMatrix[i,:]*dataMatrix[j,:].T - dataMatrix[i,:]*dataMatrix[i,:].T - dataMatrix[j,:]*dataMatrix[j,:].T if eta >= 0: print "eta>=0"; continue alphas[j] -= labelMat[j]*(Ei - Ej)/eta alphas[j] = clipAlpha(alphas[j],H,L) if (abs(alphas[j] - alphaJold) < 0.00001): print "j not moving enough"; continue alphas[i] += labelMat[j]*labelMat[i]*(alphaJold - alphas[j])#update i by the same amount as j #the update is in the oppostie direction b1 = b - Ei- labelMat[i]*(alphas[i]-alphaIold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[i,:].T - labelMat[j]*(alphas[j]-alphaJold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[j,:].T b2 = b - Ej- labelMat[i]*(alphas[i]-alphaIold)*dataMatrix[i,:]*dataMatrix[j,:].T - labelMat[j]*(alphas[j]-alphaJold)*dataMatrix[j,:]*dataMatrix[j,:].T if (0 < alphas[i]) and (C > alphas[i]): b = b1 elif (0 < alphas[j]) and (C > alphas[j]): b = b2 else: b = (b1 + b2)/2.0 alphaPairsChanged += 1 print "iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter,i,alphaPairsChanged) if (alphaPairsChanged == 0): iter += 1 else: iter = 0 print "iteration number: %d" % iter return b,alphas def kernelTrans(X, A, kTup): #calc the kernel or transform data to a higher dimensional space m,n = shape(X) K = mat(zeros((m,1))) if kTup[0]=='lin': K = X * A.T #linear kernel elif kTup[0]=='rbf': for j in range(m): deltaRow = X[j,:] - A K[j] = deltaRow*deltaRow.T K = exp(K/(-1*kTup[1]**2)) #divide in NumPy is element-wise not matrix like Matlab else: raise NameError('Houston We Have a Problem -- \ That Kernel is not recognized') return K class optStruct: def __init__(self,dataMatIn, classLabels, C, toler, kTup): # Initialize the structure with the parameters self.X = dataMatIn self.labelMat = classLabels self.C = C self.tol = toler self.m = shape(dataMatIn)[0] self.alphas = mat(zeros((self.m,1))) self.b = 0 self.eCache = mat(zeros((self.m,2))) #first column is valid flag self.K = mat(zeros((self.m,self.m))) for i in range(self.m): self.K[:,i] = kernelTrans(self.X, self.X[i,:], kTup) def calcEk(oS, k): fXk = float(multiply(oS.alphas,oS.labelMat).T*oS.K[:,k] + oS.b) Ek = fXk - float(oS.labelMat[k]) return Ek def selectJ(i, oS, Ei): #this is the second choice -heurstic, and calcs Ej maxK = -1; maxDeltaE = 0; Ej = 0 oS.eCache[i] = [1,Ei] #set valid #choose the alpha that gives the maximum delta E validEcacheList = nonzero(oS.eCache[:,0].A)[0] if (len(validEcacheList)) > 1: for k in validEcacheList: #loop through valid Ecache values and find the one that maximizes delta E if k == i: continue #don't calc for i, waste of time Ek = calcEk(oS, k) deltaE = abs(Ei - Ek) if (deltaE > maxDeltaE): maxK = k; maxDeltaE = deltaE; Ej = Ek return maxK, Ej else: #in this case (first time around) we don't have any valid eCache values j = selectJrand(i, oS.m) Ej = calcEk(oS, j) return j, Ej def updateEk(oS, k):#after any alpha has changed update the new value in the cache Ek = calcEk(oS, k) oS.eCache[k] = [1,Ek] def innerL(i, oS): Ei = calcEk(oS, i) if ((oS.labelMat[i]*Ei < -oS.tol) and (oS.alphas[i] < oS.C)) or ((oS.labelMat[i]*Ei > oS.tol) and (oS.alphas[i] > 0)): j,Ej = selectJ(i, oS, Ei) #this has been changed from selectJrand alphaIold = oS.alphas[i].copy(); alphaJold = oS.alphas[j].copy(); if (oS.labelMat[i] != oS.labelMat[j]): L = max(0, oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) H = min(oS.C, oS.C + oS.alphas[j] - oS.alphas[i]) else: L = max(0, oS.alphas[j] + oS.alphas[i] - oS.C) H = min(oS.C, oS.alphas[j] + oS.alphas[i]) if L==H: print "L==H"; return 0 eta = 2.0 * oS.K[i,j] - oS.K[i,i] - oS.K[j,j] #changed for kernel if eta >= 0: print "eta>=0"; return 0 oS.alphas[j] -= oS.labelMat[j]*(Ei - Ej)/eta oS.alphas[j] = clipAlpha(oS.alphas[j],H,L) updateEk(oS, j) #added this for the Ecache if (abs(oS.alphas[j] - alphaJold) < 0.00001): print "j not moving enough"; return 0 oS.alphas[i] += oS.labelMat[j]*oS.labelMat[i]*(alphaJold - oS.alphas[j])#update i by the same amount as j updateEk(oS, i) #added this for the Ecache #the update is in the oppostie direction b1 = oS.b - Ei- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,i] - oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[i,j] b2 = oS.b - Ej- oS.labelMat[i]*(oS.alphas[i]-alphaIold)*oS.K[i,j]- oS.labelMat[j]*(oS.alphas[j]-alphaJold)*oS.K[j,j] if (0 < oS.alphas[i]) and (oS.C > oS.alphas[i]): oS.b = b1 elif (0 < oS.alphas[j]) and (oS.C > oS.alphas[j]): oS.b = b2 else: oS.b = (b1 + b2)/2.0 return 1 else: return 0 def smoP(dataMatIn, classLabels, C, toler, maxIter,kTup=('lin', 0)): #full Platt SMO oS = optStruct(mat(dataMatIn),mat(classLabels).transpose(),C,toler, kTup) iter = 0 entireSet = True; alphaPairsChanged = 0 while (iter < maxIter) and ((alphaPairsChanged > 0) or (entireSet)): alphaPairsChanged = 0 if entireSet: #go over all for i in range(oS.m): alphaPairsChanged += innerL(i,oS) print "fullSet, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter,i,alphaPairsChanged) iter += 1 else:#go over non-bound (railed) alphas nonBoundIs = nonzero((oS.alphas.A > 0) * (oS.alphas.A < C))[0] for i in nonBoundIs: alphaPairsChanged += innerL(i,oS) print "non-bound, iter: %d i:%d, pairs changed %d" % (iter,i,alphaPairsChanged) iter += 1 if entireSet: entireSet = False #toggle entire set loop elif (alphaPairsChanged == 0): entireSet = True print "iteration number: %d" % iter return oS.b,oS.alphas
提取特征以及使用SVM训练测试代码
# -*- coding: cp936 -*- """ 基于支持向量机的邮件分类系统 使用0,1标记词的出现与否 author :luchi data :1025/11/29 """ import re from math import * from SVMKernel import * #切割文本,统计词频 def splitText(bigString): wordlist={} rtnList=[] wordFreqList={} #分词 listofTokens=re.split(r'\W*',bigString) length=len(listofTokens) for token in listofTokens: if not wordlist.has_key(token): wordlist[token]=1 rtnList.append(token) else: wordlist[token]+=1 wordFreqList[token]=float(wordlist[token])/length return rtnList,wordFreqList #统计单词反文档频率 def docFre(word): fre=0 for i in range(1,26): if word in re.split(r'\W*',open('spam/%d.txt' % i).read()): fre+=1 return float(fre)/25 #特征词提取,这里面使用TF-IDF方法 def extractFeature(textType): docList=[];classList=[];fullText=[] wordTFIDF={} #每个类测试邮件一共有25封 for i in range(1,26): wordlist,wordFreqList=splitText(open(textType+'/%d.txt' % i).read()) fullText.append(wordlist) for word in wordFreqList: wordIDF=docFre(word) wordTFIDFValue=wordIDF*wordFreqList[word] if not wordTFIDF.has_key(word): wordTFIDF[word]=wordTFIDFValue else : wordTFIDF[word]+=wordTFIDFValue sortedWordTFIDF=sorted(wordTFIDF.iteritems(),key=lambda asd:asd[1],reverse=True) #选取前100个词为分类词 keywords=[word[0] for word in sortedWordTFIDF[:100]] return keywords #对一个邮件词集构建特征向量(使用0,1表示存在与否) def extaxtDocFeatureVec(text,keyword): vec=[] for i,word in enumerate(keyword): if word in text: vec.append(1) else : vec.append(0) return vec #抽取所有邮件的特征向量 def extactFeatureVec(): hamWordsVec=extractFeature('ham') spamWordsVec=extractFeature('spam') wordVecs=[] classList=[] for i in range(1,26): wordlistHam,wordFreqList=splitText(open('ham/%d.txt' % i).read()) wordlistSpam,wordFreqList=splitText(open('spam/%d.txt' % i).read()) vecHam=extaxtDocFeatureVec(wordlistHam,hamWordsVec) vecSpam=extaxtDocFeatureVec(wordlistSpam,spamWordsVec) wordVecs.append(vecHam) classList.append(1) wordVecs.append(vecSpam) classList.append(-1) ## print wordVecs ## print classList return wordVecs,classList #使用SVM训练数据并使用交叉测试测试正确率 def textSpam(k1=1.3): dataArr,labelArr=extactFeatureVec() trainDataArr=dataArr[:40] trainLabelArr=labelArr[:40] b,alphas = smoP(trainDataArr, trainLabelArr, 200, 0.0001, 10000, ('rbf', k1)) #C=200 important datMat=mat(trainDataArr); labelMat = mat(trainLabelArr).transpose() svInd=nonzero(alphas.A>0)[0] sVs=datMat[svInd] #get matrix of only support vectors labelSV = labelMat[svInd]; print "there are %d Support Vectors" % shape(sVs)[0] testDataMat=mat(dataArr[39:-1]) testLabel=labelArr[39:-1] ## testLabel[2]=testLabel[2]*-1 m,n = shape(testDataMat) errorCount = 0 for i in range(m): kernelEval = kernelTrans(sVs,testDataMat[i,:],('rbf', k1)) predict=kernelEval.T * multiply(labelSV,alphas[svInd]) + b if sign(predict)!=sign(testLabel[i]): errorCount += 1 print "the training error rate is: %f" % (float(errorCount)/m) if __name__=='__main__': textSpam()
测试结果如下:
iteration number: 8 there are 38 Support Vectors the training error rate is: 0.000000
可以看出,SVM对于分类是具有很好的性能,这也是SVM强大之处,本例中使用了100维向量,但是SVM对更高维的数据也有很好的作用,然后我选取了15个数据作为训练数据,检测的失败率是22%,所以说SVM方法还是需要训练数据支持的
代码和测试数据都在附件
参考文献:
http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/7624837
李航 《统计学习方法》
Peter Harrington 《Machine Learning in Action》
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