vanessa terezinha ales o algoritmo sequential minimal optimisation para resolução do problema ...

150 Pages·2009·0.87 MB·Portuguese

VANESSA TEREZINHA ALES

O ALGORITMO SEQUENTIAL MINIMAL OPTIMISATION PARA RESOLUÇÃO DO
PROBLEMA DE SUPPORT VECTOR MACHINE:
UMA TÉCNICA PARA RECONHECIMENTO DE PADRÕES

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-
Graduação em Métodos Numéricos em
Engenharia – Programação Matemática,
Setores de Tecnologia e Ciências Exatas,
Universidade Federal do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Mestre em Ciências.

Orientador: Prof. Dr. Celso Carnieri

CURITIBA
2008
TERMO DE APROVAÇÃO

VANESSA TEREZINHA ALES

O ALGORITMO SEQUENTIAL MINIMAL OPTIMIZATION
PARA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE SUPPORT VECTOR MACHINE:
UMA TÉCNICA DE RECONHECIMENTO DE PADRÕES

Dissertação aprovada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre no Curso
de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia, setores de Tecnologia e
Ciências Exatas da Universidade Federal do Paraná, pela seguinte banca examinadora:

______________________________________________________
Orientador: Prof. Dr. Celso Carnieri
Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia - UFPR

________________________________________________________________
Prof. Dr. Arinei Carlos Lindbeck da Silva
Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia - UFPR

________________________________________________________________
Prof. Dr. Alexandre Rasi Aoki
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica – UFPR e LACTEC

________________________________________________________________
Prof. Dr. Alessandro Lameiras Koerich
Programa de Pós Graduação em Informática Aplicada – PUCPR

Curitiba, 24 de Setembro de 2008
A Deus.
A meus pais Moises e Terezinha, por toda a
dedicação, amor, carinho e incentivo, em
todos os momentos.
Aos meus irmãos Wellington e William.
E a todos, que de muitas formas me
incentivaram e ajudaram para que fosse
possível a concretização deste trabalho.
Justamente quando você conseguir encontrar todas as respostas,
mudarão todas as perguntas.

Paulo Coelho

A vitória mais bela que se pode alcançar é vencer a si mesmo.

Santo Inácio de Loyola
AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida, benção, graças e proteção.
Aos meus pais, Moises e Terezinha, pelo constante apoio, incentivo, carinho e
compreensão. Aos meus irmãos pela amizade e apoio.
Ao professor Celso Carnieri pela oportunidade, orientação, apoio, incentivo e
paciência.
Ao professor Arinei Carlos Lindbeck da Silva pela oportunidade, apoio, incentivo,
ensinamentos da linguagem Visual Basic.
Aos professores Sergio Scheer, Maria Teresinha Arns Steiner, Volmir Wilhelm,
Luis Antonio Resende Santana, Neida Volpi, Liliana Cumin e Anselmo Chaves Neto, por
contribuírem com a minha formação.
A secretária Maristela Brandil pelo apoio, carinho e amizade.
Ao amigo Vinícius, pelo incentivo e apoio, cuja amizade e companheirismo foram
essenciais.
Aos colegas que se tornaram amigos: Ana Beatriz, Ricardo, Wyrllen, Alessandra,
Francisco, Marcos Aurélio, Bernadete, Maiko, Roberta, Vanderlei e Crisiane cuja
amizade e colaboração foram fundamentais.
Aos demais colegas que colaboraram no desenvolvimento da dissertação.
À Pró-Reitoria, pelo apoio financeiro com a bolsa de estudos.
A todos que me proporcionaram oportunidades para aquisição de conhecimentos
e apoiaram meus estudos.
Vanessa Terezinha Ales
RESUMO

O presente trabalho tem por finalidade estudar o algoritmo Sequential Minimal
Optimization (SMO) para resolução do problema quadrático do Support Vector Machine
(SVM), uma técnica de reconhecimento de padrões. Diagnosticar doenças, automatizar
processos de leitura de documentos, identificar pessoas, encontrar substâncias
adulterantes em produtos são algumas aplicações de reconhecimento de padrões.
Existem muitas técnicas de reconhecimento de padrões, porém, são limitadas a um
conjunto de problemas. O SVM é uma técnica que utiliza a metodologia de
aprendizagem supervisionada para o treinamento do processo de reconhecimento de
padrões. A modelagem do problema do SVM envolve um problema quadrático convexo
e, portanto, existe uma única solução, porém a busca dessa solução requer ferramentas
complexas. A técnica de reconhecimento SVM tem como objetivo separar os padrões
em classes distintas através de uma superfície separadora, esta com a maior distância
possível das margens, que definem uma segurança na classificação de novos dados. As
margens são determinadas pelos vetores suportes, definidos pelo valor de seu
respectivo Multiplicador de Lagrange, proveniente da modelagem dual. O produto
interno que aparece no problema dual pode ser substituído por uma função kernel que
possibilita encontrar uma superfície separadora não linear, abrangendo mais aplicações.
A utilização desta requer a escolha de uma função kernel adequada e a calibração dos
parâmetros para que o processo apresente menos erros e generalize a situação. Para
obtenção da solução do SVM utilizou-se o algoritmo SMO, desenvolvido por Platt, que
escolhe dois pontos por iteração para fazer a otimização. Foram realizados treinamentos
e testes em bancos de dados prontos resultando em processos de classificação muito
bons se comparados com outras técnicas de reconhecimento de padrões.

Palavras chaves: Support Vector Machine. Kernel. Dualidade. Reconhecimento de
padrões. Programação quadrática.
ABSTRACT

The purpose of this work is to study the Sequential Minimal Optimization (SMO)
algorithm for solving the quadratic problem of Support Vector Machine (SVM), a
technique for pattern recognition. Some applications of recognition are diagnosing
diseases, automating the process of reading documents, identifying persons, finding
adulterating substances in products. There are many techniques for achieving pattern
recognition, each one limited to a set of problems. The SVM is a technique that uses the
supervised learning methodology for training the process of pattern recognition. The
model of SVM problem involves a convex quadratic problem and therefore, there exists a
unique solution. However, for finding the solution it’s necessary using complex tools. The
technique of SVM has the objective of separating the patterns in distinct classes through
a separating surface with the maximum distance from margin in order to obtain better
results when classifying new data. The margins are determined by the support vectors,
which are obtained calculating the Lagrange Multipliers in the dual model. The inner
product that appears in the dual problem may be substituted by kernel function to find a
non linear surface, boosting the possible applications. To obtain a good generalization
and make fewer errors it is necessary to use an adequate kernel function and calibration
of the parameters. To obtain the solution of the quadratic problem of SVM it was used
the SMO algorithm developed by Platt, which chooses two points in each iteration for
optimization. Many training experiments were made in data base resulting in good
classification performance when compared with other pattern recognition methods.

Key works: Support Vector Machine. Kernel. Duality. Pattern recognition. Quadratic
programming.
LISTA DE SIGLAS

AG – Algoritmos Genéticos
ESVM – Evolutionary Support Vector Machine
GSVM – Generalized Support Vector Machine
KDD – Knowledge Discovery in Databases
KKT – Karush-Kuhn-Tucker
LSVM – Lagrangian Support Vector Machine
LS-SVM – Least Squares Support Vector Machine
PSVM – Proximal Support Vector Machine
RNA – Redes Neurais Artificiais
RSVM – Reduced Support Vector Machine
SVM – Support Vector Machine
SVR – Support Vector Regression
SMO – Sequential Minimal Optimization
SSVM – Smooth Support Vector Machine
S³VM – Semi-Supervised Support Vector Machine
VC – Validação Cruzada
VS – Vetores suportes
VS-bound – Vetores suportes com valor máximo
ν-SVM – ν- Support Vector Machine
LISTA DE SÍMBOLOS

λ – Autovalor
i
b – Bias
y – Entrada
i
S – Conjunto de dados de treinamento
∂f
– Derivada parcial da função f em relação a variável w
∂w
n – Dimensão do espaço de entrada
N – Dimensão do espaço feature
E – Erro do ponto xi no espaço feature
i
(cid:92)n – Espaço de Entrada
F – Espaço feature
K(x,z) – Função kernel entre os pontos x e z
β – Índices na função da análise de discriminante
i
L – Lagrangeano Dual
W – Lagrangeano Primal
ϕ:X →F – Mapeamento para o espaço feature
γ – Margem funcional
α – Multiplicador de Lagrange do ponto xi ou variáveis duais
i
⋅ – Norma p
p
l – Número de pontos de treinamento
C – Parâmetro de ponderação dos erros
σ – Parâmetro do kernel gaussiano
p – Parâmetro do kernel polinomial
κ – Parâmetro do kernel sigmoidal
k – Parâmetro kernel polinomial não homogêneo e sigmoidal
β – Pesos da função discriminante
xi – Ponto i do espaço de entrada
x⋅z – Produto interno
ξ – Variável de folga do ponto xi
i
w – Vetor de pesos
π,π – Classes distintas
1 2
Σ ,Σ – Matrizes de covariância das classes π e π
1 2 1 2
μ , μ – Vetores de média das classes π e π
1 2 1 2
S , S – Matrizes de covariâncias amostrais das classes π e π
1 2 1 2
μ ,μ – Vetores de média amostral das classes π e π
1 2 1 2
sgn(f (x)) – Sinal da função f (x)
(λ,e ) – Autovalor e autovetor
i i