本文探討的不是關(guān)于深度學(xué)習(xí)方面的，但可能也會(huì)涉及一點(diǎn)兒，主要是因?yàn)?Kernel（內(nèi)核）的強(qiáng)大。Kernel 一般來(lái)說(shuō)適用于任何機(jī)器學(xué)習(xí)算法，你可能會(huì)問(wèn)為什么，我將在文中回答這個(gè)問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中，我們要把相似的東西放在相似的地方。這個(gè)規(guī)則對(duì)所有的機(jī)器學(xué)習(xí)算法都是通用的，不論它是有監(jiān)督、無(wú)監(jiān)督、分類(lèi)還是回歸。問(wèn)題在于我們應(yīng)該如何準(zhǔn)確地確定什么是相似的？為了揭示這個(gè)問(wèn)題，我們將從 Kernel 的基礎(chǔ)開(kāi)始學(xué)習(xí)。

兩個(gè)向量之間的點(diǎn)積是一個(gè)神奇的東西，可以肯定地說(shuō)，它在一定程度上度量了相似性。通常在機(jī)器學(xué)習(xí)的文章中，點(diǎn)積表示成以下形式：

這表示了向量x和x'之間的點(diǎn)積。注意，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，此處省略了向量符號(hào)的箭頭。這個(gè)符號(hào)是向量分量乘積之和的簡(jiǎn)寫(xiě)：

巧合的是，向量的范數(shù)是點(diǎn)積的平方根，可以這樣表示：

這當(dāng)然不是全部的。我們肯定知道余弦定理，即點(diǎn)積等于向量之間角度的余弦與它們范數(shù)的乘積（這很容易用簡(jiǎn)單的三角函數(shù)來(lái)證明）：

談?wù)摻嵌群头稊?shù)的好處在于，我們可以想象出這個(gè)點(diǎn)積是什么樣子。讓我們畫(huà)一下這兩個(gè)向量，它們之間的夾角為 α：

因此，如果我們采用點(diǎn)積作為相似性的度量，那么，它在什么時(shí)候會(huì)達(dá)到最大呢？這意味著是這些向量最相似的時(shí)候。顯而易見(jiàn)，當(dāng)余弦等于 1 的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生這種情況，也就是當(dāng)角度為 0 度或者弧度的時(shí)候。如果向量的范數(shù)都是相同的，那么顯然我們討論的是同一個(gè)向量！很好，讓我們把目前為止學(xué)到的東西寫(xiě)下來(lái)：

點(diǎn)積是向量間相似性的度量

現(xiàn)在你應(yīng)該希望了解一下談?wù)擖c(diǎn)積的意義。

當(dāng)然，點(diǎn)積作為相似性的度量，在實(shí)際問(wèn)題中可能會(huì)有用，或者一點(diǎn)兒用也沒(méi)有，這取決于你要解決的問(wèn)題。因此，我們需要對(duì)輸入空間進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換，使點(diǎn)積作為相似性的度量起到實(shí)際的作用，用 ? 來(lái)表示轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在，我們可以定義 Kernel 的含義了，映射空間中的點(diǎn)積：

Kernel 的定義非常直接，是對(duì)映射空間相似性的度量。實(shí)際上，數(shù)學(xué)家喜歡具體化。由于Kernel 所處理的底層函數(shù)和空間不應(yīng)該存在隱含的假設(shè)，因此，通過(guò)函數(shù)分析 Kernel 背后存在著很多的理論，需要在其它的文章中來(lái)探索這方面的問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，我們需要明確地說(shuō)明想以什么樣的函數(shù)來(lái)表示 ?：

我們需要一個(gè)從 X 域映射到點(diǎn)積被定義好的空間的函數(shù)，這意味著它是一個(gè)很好的相似性度量。

Kernel 可以用作任何在點(diǎn)積過(guò)程（或相關(guān)范數(shù)）中定義的算法的泛化。最有名的是使用 Kernel 作為基礎(chǔ)算法例子是支持向量機(jī)（Support Vector Machines）和高斯過(guò)程（Gaussian Processes），但也有一些是 Kernel 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一起使用的例子。

我們實(shí)際上需要 Kernel 和映射函數(shù) ? 的另一個(gè)原因是輸入空間可能沒(méi)有定義明確的點(diǎn)積。快速地研究一個(gè)文檔分析的例子，我們只想根據(jù)兩個(gè)文檔的主題來(lái)得出它們之間的相似性，然后可能會(huì)對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)。那么，這兩個(gè)文檔之間的點(diǎn)積究竟是什么呢？一種選擇是獲取文檔字符的 ASCII 碼，并將它們連接到一個(gè)大的向量中 —— 當(dāng)然，這不是你在實(shí)踐中要做的工作，而是僅供思考。

我們現(xiàn)在已經(jīng)將文檔定義為向量了，然而問(wèn)題還是在于文件的長(zhǎng)度，即不同文件的長(zhǎng)度不同。這沒(méi)什么大不了的，我們可以通過(guò)在較短的文檔中填充一定長(zhǎng)度的 EOS 字符來(lái)應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題。然后我們就可以計(jì)算這個(gè)高維空間中的點(diǎn)積了。但還有一個(gè)問(wèn)題是，這個(gè)點(diǎn)積的相關(guān)性，或者更確切地說(shuō)，這個(gè)點(diǎn)積實(shí)際上意味著什么。顯然，字符的細(xì)微變化會(huì)改變點(diǎn)積。即使我們用同義詞來(lái)替換，它一樣會(huì)改變點(diǎn)積。這是在比較兩個(gè)文檔的主題時(shí)要避免的問(wèn)題。

那么，Kernel 是如何在此發(fā)揮作用的？理想的情況下，你需要找到一個(gè)映射函數(shù) ? 將輸入空間映射到一個(gè)特征空間，其中點(diǎn)積具有你想要的意義。在剛才文檔比較的例子中，對(duì)于語(yǔ)義相似的文檔，點(diǎn)積值是很高的。換句話說(shuō)，這種映射應(yīng)該使分類(lèi)器的工作更容易，因?yàn)閿?shù)據(jù)變得更容易分離。

我們現(xiàn)在可以看一下典型的 XOR 示例來(lái)進(jìn)一步理解概念。XOR 是一個(gè)二進(jìn)制函數(shù)，如下所示：

藍(lán)色的點(diǎn)以 0 來(lái)分類(lèi)，紅色的點(diǎn)以 1 來(lái)分類(lèi)。我們可以假設(shè)這是一個(gè)有噪音的 XOR 函數(shù)，因?yàn)榧旱姆植挤秶軓V。我們馬上注意到了一個(gè)問(wèn)題，數(shù)據(jù)是不可線性分離的。也就是說(shuō)，我們不能在紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)之間劃一條線來(lái)分離它們。

在這種情況下能做些什么呢？我們可以應(yīng)用一個(gè)特定的映射函數(shù)，以使工作變得更容易。具體來(lái)說(shuō)，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)映射函數(shù)，它將對(duì)通過(guò)紅點(diǎn)集群的線附近的輸入空間進(jìn)行單側(cè)反射。我們將表示出這條線下面附近的所有點(diǎn)。那么，映射函數(shù)將會(huì)得到以下結(jié)果：

在映射之后，數(shù)據(jù)會(huì)變得很容易進(jìn)行線性分離，因此如果我們有一個(gè)模型試圖擬合一個(gè)分離的超平面（例如感知器），這就是一個(gè)理想的情況。顯然，線性可分離很好，但是為了構(gòu)建有效的模型，我們不一定需要線性可分離的，這就意味著并非所有的映射函數(shù)都需要得到線性可分離的數(shù)據(jù)才能構(gòu)建有效的模型。

人們時(shí)常地混淆使用 Kernel 和使用映射函數(shù)的概念。Kernel 函數(shù)的輸出是一個(gè)標(biāo)量，是對(duì)兩個(gè)點(diǎn)的相似性或相異性的度量，而映射函數(shù)的輸出則是一個(gè)提供相似性計(jì)算的向量。Kernel 的有趣之處在于，有時(shí)我們可以計(jì)算原始空間中映射的點(diǎn)積，而無(wú)需顯式地進(jìn)行輸入映射。這就允許我們處理無(wú)限維度空間的映射！這是一個(gè)很難理解的事情，所以我將在后面的文章中進(jìn)行討論。

最后，我想推薦一下 Smola 和 Schoelkopf 的書(shū)：《Learning with Kernels》。本書(shū)對(duì) Kernel 核心及其理論背景進(jìn)行了全面的闡述。

機(jī)器學(xué)習(xí)中Kernel的秘密（二）

在《機(jī)器學(xué)習(xí)中Kernel的秘密（一）》一文中，我用最簡(jiǎn)單的方法解釋了 Kernel。在讀本文之前，我建議你先快速地閱讀一下這篇文章，了解一下 Kernel 是什么。希望你能得出這樣的結(jié)論：Kernel是映射空間中兩個(gè)向量之間的相似性的度量。

現(xiàn)在，我們可以討論一些比較有名的 Kernel，以及如何結(jié)合這些 Kernel 來(lái)構(gòu)建其它的 Kernel。記住，對(duì)于我們將要使用的示例，x’ 是用于繪圖的一維向量，我們將 x’ 的值設(shè)置為 2。不再多說(shuō)，讓我們開(kāi)始吧。

線性 Kernel

這個(gè) Kernel 的超參數(shù)是 sigma 和偏差參數(shù) c。直觀地說(shuō)，這個(gè) Kernel 是什么呢？如果我們?nèi)∫粋€(gè)特定的 x，并將它與所有其它的 x’ 相比較，就會(huì)得到一條直線。這就是它被稱為線性 Kernel 的原因。不變的 x 值和變化的 x' 值有效地說(shuō)明了我們沿著這條直線移動(dòng)。

這個(gè) Kernel 的另一個(gè)特點(diǎn)是，它具有非穩(wěn)定性，這意味著它的值相對(duì)于 x’ 的絕對(duì)位置而不是相對(duì)位置發(fā)生了變化。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于它是線性的，所以在優(yōu)化過(guò)程中可以進(jìn)行高效計(jì)算。

多項(xiàng)式 Kernel

顧名思義，這個(gè) Kernel 是一個(gè)帶有偏差量 c 的多項(xiàng)式函數(shù)。我認(rèn)為值得花點(diǎn)時(shí)間來(lái)考慮會(huì)產(chǎn)生Kernel 的映射函數(shù) ?，因?yàn)?Kernel 是在映射空間中的一個(gè)相似性函數(shù)（點(diǎn)積），所以它會(huì)返回一個(gè)標(biāo)量。在二維空間中二階多項(xiàng)式 Kernel 的映射函數(shù)表示如下：

當(dāng)增大輸入維度 d 的值和多項(xiàng)式的階數(shù)時(shí)，映射的特征空間就會(huì)變得相當(dāng)大。那么，我們可以計(jì)算點(diǎn)積而不是進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如上面的公式中所列的那樣。這是 Kernel 理論中許多很不錯(cuò)的公式之一。

徑向基函數(shù) Kernel

這是一個(gè)非常有名的，并經(jīng)常使用的 Kernel。注意，由于指數(shù)中負(fù)指數(shù)的存在，所以指數(shù)的取值要在 0 到 1 范圍之間，這是一個(gè)不錯(cuò)的特性，因?yàn)槲覀兛梢哉f(shuō) 1 表示非常相似，或者相同，而接近 0 的值則表示完全不同。指數(shù)中的參數(shù) σ 控制著 Kernel 的靈敏度。對(duì)于較低的 σ 值，我們只期望那些非常接近的點(diǎn)是相似的。對(duì)于較大的 σ 值，我們放寬了相似性標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵竭h(yuǎn)的點(diǎn)就越相似。

當(dāng)然，Kernel 看起來(lái)是這樣，因?yàn)槲覀儼?x 設(shè)置為 0，并改變了 x’，邏輯上我們想要計(jì)算點(diǎn)之間整個(gè) X 域的相似性。這就得出了一個(gè)平面，正是這個(gè)平面，才是描述一個(gè) Kernel 的例子：

如圖所示，Kernel 的值在對(duì)角線處最高，其中 x 和 x' 是相同的。

周期 Kernel

當(dāng)你考慮周期性的時(shí)候，就會(huì)馬上想到周期函數(shù)，比如正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。從邏輯上講，周期 Kernel 中有正弦函數(shù)。Kernel 的超參數(shù) σ 還是表示了相似性的靈敏度，但是我們還有表示正弦函數(shù)周期的參數(shù) p。另外，還要注意徑向基 Kernel 和周期 Kernel 之間的相似性，它們都被限定為輸出 0 到 1 范圍之間的值。

什么時(shí)候使用周期 Kernel？這是非常合乎邏輯的，假設(shè)你想要為一個(gè)類(lèi)正弦函數(shù)建模，從這個(gè)函數(shù)中取 2 個(gè)點(diǎn)，它們相對(duì)于歐式距離比較遠(yuǎn)，這并不意味著函數(shù)的值有什么不同。為了解決這類(lèi)問(wèn)題，就需要周期 Kernel。為了完整性起見(jiàn)，看看當(dāng)我們調(diào)整周期 Kernel 的周期性時(shí)會(huì)發(fā)生什么（什么也沒(méi)有）：

局部周期 Kernel

我們基本上是通過(guò)徑向基 Kernel 與周期 Kernel 的乘積得到了局部周期 Kernel。我們用這個(gè)方法得到的結(jié)果是，得到的 Kernel 的值隨 x 和 x' 之間距離的變化而變化，而不僅僅是隨距離的周期性變化而變化，這就導(dǎo)致了所謂的局部周期性。

只是因?yàn)槲液芎闷妫?3D 模式來(lái)繪制了這個(gè) Kernel，并得到以下這個(gè)還不錯(cuò)的形狀：

構(gòu)建新 Kernel

到現(xiàn)在為止，我們接觸到了一些 Kernel 的例子。問(wèn)題來(lái)了，我們拿什么來(lái)構(gòu)建新的 Kernel 呢？Kernel 有以下兩個(gè)很好的特性：

1. 添加一個(gè)帶有 Kernel 的 Kernel 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的 Kernel；

2. 多個(gè) Kernel 的乘積會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的 Kernel；

以上兩個(gè)特性基本上可以讓你在不做太多數(shù)學(xué)運(yùn)算的情況下構(gòu)建新的 Kernel，也是非常直觀的。乘積可以看作是一個(gè)與運(yùn)算，特別是在考慮 0 和 1 范圍之間的 Kernel 時(shí)。于是，我們可以將周期 Kernel 與徑向基函數(shù) Kernel 相結(jié)合，得到一個(gè)局部周期 Kernel。

這幾個(gè)例子，可以讓你開(kāi)始 Kernel 之旅。當(dāng)然，也還有一些沒(méi)有被提及的 Kernel。針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行的 Kernel 設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，要想學(xué)好它，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。此外，在機(jī)器學(xué)習(xí)中有一個(gè)專門(mén)用于學(xué)習(xí) Kernel 函數(shù)的領(lǐng)域。

由于算法上的要求，Kernel 設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。由于許多基于 Kernel 的算法都涉及到一種反向的被稱為“Gram”的矩陣，因此我們要求 Kernel 是正定的，但這是我將來(lái)要探討的內(nèi)容。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了一些有用的 Kernel，可以更深入地研究 Hilbert 空間的理論以及它們與Kernel 的關(guān)系，但是這必須要等到下一篇文章了。