PCA主成分分析
主成分分析PCA(含有详细推导过程以及案例分析matlab版)
主成分分析法(PCA)在实际问题中,我们经常会遇到研究多个变量的问题,而且在多数情况下,多个变量之间常常存在一定的相关性。
由于变量个数较多再加上变量之间的相关性,势必增加了分析问题的复杂性。
如何从多个变量中综合为少数几个代表性变量,既能够代表原始变量的绝大多数信息,又互不相关,并且在新的综合变量基础上,可以进一步的统计分析,这时就需要进行主成分分析。
I. 主成分分析法(PCA)模型(一)主成分分析的基本思想主成分分析是采取一种数学降维的方法,找出几个综合变量来代替原来众多的变量,使这些综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量,而且彼此之间互不相关。
这种将把多个变量化为少数几个互相无关的综合变量的统计分析方法就叫做主成分分析或主分量分析。
主成分分析所要做的就是设法将原来众多具有一定相关性的变量,重新组合为一组新的相互无关的综合变量来代替原来变量。
通常,数学上的处理方法就是将原来的变量做线性组合,作为新的综合变量,但是这种组合如果不加以限制,则可以有很多,应该如何选择呢?如果将选取的第一个线性组合即第一个综合变量记为1F ,自然希望它尽可能多地反映原来变量的信息,这里“信息”用方差来测量,即希望)(1F Var 越大,表示1F 包含的信息越多。
因此在所有的线性组合中所选取的1F 应该是方差最大的,故称1F 为第一主成分。
如果第一主成分不足以代表原来p 个变量的信息,再考虑选取2F 即第二个线性组合,为了有效地反映原来信息,1F 已有的信息就不需要再出现在2F 中,用数学语言表达就是要求0),(21=F F Cov ,称2F 为第二主成分,依此类推可以构造出第三、四……第p 个主成分。
(二)主成分分析的数学模型对于一个样本资料,观测p 个变量p x x x ,,21,n 个样品的数据资料阵为:⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=np n n p p x x x x x x x x x X212222111211()p x x x ,,21=其中:p j x x x x nj j j j ,2,1,21=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 主成分分析就是将p 个观测变量综合成为p 个新的变量(综合变量),即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=ppp p p p p p p p x a x a x a F x a x a x a F x a x a x a F 22112222121212121111 简写为:p jp j j j x x x F ααα+++= 2211p j ,,2,1 =要求模型满足以下条件:①j i F F ,互不相关(j i ≠,p j i ,,2,1, =)②1F 的方差大于2F 的方差大于3F 的方差,依次类推③.,2,1122221p k a a a kp k k ==+++于是,称1F 为第一主成分,2F 为第二主成分,依此类推,有第p 个主成分。
PCA-主成分分析的原理及解释
PCA-主成分分析的原理及解释主成分分析(principal component analysis ,PCA )PCA 利⽤正交变换将线性相关变量表⽰的观测数据转换为少数⼏个由线性⽆关变量表⽰的数据。
线性⽆关的变量称为主成分,其个数通常⼩于原始变量的个数,所以属于⽆监督学习中的降维⽅法。
⼀、PCA 的解释—最⼤⽅差理论由上图可以看到,x 1和x 2两个变量之间具有线性相关性。
已知其中⼀个变量x 1的取值时,对另⼀个变量x 2的预测不是完全随机的,反之亦然。
为了减少这种相关性,我们对坐标系进⾏旋转变换(正交变换),将数据投影到新坐标系的坐标轴上,那如何选择坐标系呢?我们将数据在每⼀轴上的坐标值的平⽅表⽰相应变量的⽅差,并且这个坐标轴上的⽅差是最⼤的(在所有可能的新坐标系中)。
找到第⼀坐标轴后,然后选择与第⼀坐标轴正交,且⽅差次之的⽅向作为第⼆坐标轴,如上图(b)。
主成分分析旨在选取正交变换中⽅差最⼤的变量,那为什么⽅差最⼤,变量之间的相关性越⼩?答:数据在某个⽅向上的轴的⽅差越⼤,那么说明数据分布得更为分散,相关性越⼩。
在信号处理领域,信号具有较⼤的⽅差,噪声具有较⼩的⽅差,信号与噪声之⽐称为信噪⽐。
⽽信噪⽐越⼤,意味着数据的质量越好。
回忆⼀下,线性代数的相关内容?正交矩阵:满⾜条件A T A =E 或者AA T =E 的n 阶⽅阵称为正交矩阵。
判定正交矩阵的充分必要条件为:A 的列(⾏)向量都是单位向量,且两两正交。
设A 为正交矩阵,则线性变换y =Ax 称为正交变换。
正交变换保证向量的内积和长度不变,具有保形性。
回忆⼀下,协⽅差和相关系数的知识?协⽅差和相关系数都可以⽤来描述两个分量之间相互关系的数字特征。
协⽅差Cov (X ,Y )=E [(X −EX )(Y −EY )]。
相关系数ρXY =Cov (X ,Y )√DX ⋅√DY。
相关系数(协⽅差)变⼤,X 与Y 的线性相关程度就变⼤。
推导:Processing math: 100%矩阵和向量求导的相关公式::。
主成分分析(PCA)
主成分分析(PCA)定义 主成分分析(Principal Component Analysis)也称为主分量分析,主要是利⽤降维的思想,把多指标转化为少数⼏个综合指标(即主成分),其中每⼀个主成分都能够反映原始变量的⼤部分信息,并且所含信息互不重复。
优点:降低数据的复杂性,识别最重要的多个特征。
缺点:不⼀定需要,且可能损失有⽤信息。
适⽤数据类型:数值型数据。
求解 PCA由所选的解码函数所决定。
具体地,为了简化解码器,使⽤矩阵乘法将编码映射回R n,即g(c) = Dc,其中D ∈R n×l是定义解码的矩阵。
⾸先,我们根据⼀个输⼊x得到⼀个最优编码c*。
⼀种⽅法是最⼩化原始输⼊向量x和重构向量g(c*)之间的距离。
可以使⽤范数来衡量他们之间的距离。
在PCA算法中,我们使⽤L2范数:c* = arg min c ||x - g(c)||2,我们可以⽤平⽅L2范数替代L2范数,因为两者在相同的值c上取得最⼩值(L2 范数是⾮负的,并且平⽅运算在⾮负值上是单调递增的。
):c* = arg min c ||x - g(c)||22 = (x - g(c))T(x - g(c))=x T x - x T g(c) - g(c)T x + g(c)T g(c) (1.1) 标量 g(c)T x 的转置等于本⾝。
除去上式中不依赖与c的项,得到如下优化⽬标:c* = arg min c - 2 x T g(c) + g(c)T g(c) (1.2) 将g(c) = Dc代⼊上式,(矩阵D的正交性和单位范数约束)得c* = arg min c - 2 x T Dc + c T D T Dc = arg min c - 2 x T Dc + c T I l c = arg min c - 2 x T Dc + c T c (1.3) 通过向量微积分求解最优化问题:▽c( - 2 x T Dc + c T c ) = 0- 2 D T x + 2 c = 0解得 c = D T x 最优编码x只需要⼀个矩阵-向量乘法操作。
主成分分析(principalcomponentsanalysis,PCA)又称:主分量分析,主成分回归分析法
主成分分析(principal components analysis,PCA)又称:主分量分析,主成分回归分析法什么是主成分分析法主成分分析也称主分量分析,旨在利用降维的思想,把多指标转化为少数几个综合指标。
在统计学中,主成分分析(principal components analysis,PCA)是一种简化数据集的技术。
它是一个线性变换。
这个变换把数据变换到一个新的坐标系统中,使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标(称为第一主成分)上,第二大方差在第二个坐标(第二主成分)上,依次类推。
主成分分析经常用减少数据集的维数,同时保持数据集的对方差贡献最大的特征。
这是通过保留低阶主成分,忽略高阶主成分做到的。
这样低阶成分往往能够保留住数据的最重要方面。
但是,这也不是一定的,要视具体应用而定。
[编辑]主成分分析的基本思想在实证问题研究中,为了全面、系统地分析问题,我们必须考虑众多影响因素。
这些涉及的因素一般称为指标,在多元统计分析中也称为变量。
因为每个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息,并且指标之间彼此有一定的相关性,因而所得的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。
在用统计方法研究多变量问题时,变量太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性,人们希望在进行定量分析的过程中,涉及的变量较少,得到的信息量较多。
主成分分析正是适应这一要求产生的,是解决这类题的理想工具。
同样,在科普效果评估的过程中也存在着这样的问题。
科普效果是很难具体量化的。
在实际评估工作中,我们常常会选用几个有代表性的综合指标,采用打分的方法来进行评估,故综合指标的选取是个重点和难点。
如上所述,主成分分析法正是解决这一问题的理想工具。
因为评估所涉及的众多变量之间既然有一定的相关性,就必然存在着起支配作用的因素。
根据这一点,通过对原始变量相关矩阵内部结构的关系研究,找出影响科普效果某一要素的几个综合指标,使综合指标为原来变量的线性拟合。
主成分分析报告PCA(含有详细推导过程以及案例分析报告matlab版)
主成分分析法(PCA)在实际问题中,我们经常会遇到研究多个变量的问题,而且在多数情况下,多个变量之间常常存在一定的相关性。
由于变量个数较多再加上变量之间的相关性,势必增加了分析问题的复杂性。
如何从多个变量中综合为少数几个代表性变量,既能够代表原始变量的绝大多数信息,又互不相关,并且在新的综合变量基础上,可以进一步的统计分析,这时就需要进行主成分分析。
I. 主成分分析法(PCA)模型(一)主成分分析的基本思想主成分分析是采取一种数学降维的方法,找出几个综合变量来代替原来众多的变量,使这些综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量,而且彼此之间互不相关。
这种将把多个变量化为少数几个互相无关的综合变量的统计分析方法就叫做主成分分析或主分量分析。
主成分分析所要做的就是设法将原来众多具有一定相关性的变量,重新组合为一组新的相互无关的综合变量来代替原来变量。
通常,数学上的处理方法就是将原来的变量做线性组合,作为新的综合变量,但是这种组合如果不加以限制,则可以有很多,应该如何选择呢?如果将选取的第一个线性组合即第一个综合变量记为1F ,自然希望它尽可能多地反映原来变量的信息,这里“信息”用方差来测量,即希望)(1F Var 越大,表示1F 包含的信息越多。
因此在所有的线性组合中所选取的1F 应该是方差最大的,故称1F 为第一主成分。
如果第一主成分不足以代表原来p 个变量的信息,再考虑选取2F 即第二个线性组合,为了有效地反映原来信息,1F 已有的信息就不需要再出现在2F 中,用数学语言表达就是要求0),(21=F F Cov ,称2F 为第二主成分,依此类推可以构造出第三、四……第p 个主成分。
(二)主成分分析的数学模型对于一个样本资料,观测p 个变量p x x x ,,21,n 个样品的数据资料阵为:⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=np n n p p x x x x x x x x x X212222111211()p x x x ,,21=其中:p j x x x x nj j j j ,2,1,21=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 主成分分析就是将p 个观测变量综合成为p 个新的变量(综合变量),即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=ppp p p p p p p p x a x a x a F x a x a x a F x a x a x a F 22112222121212121111 简写为:p jp j j j x x x F ααα+++= 2211p j ,,2,1 =要求模型满足以下条件:①j i F F ,互不相关(j i ≠,p j i ,,2,1, =)②1F 的方差大于2F 的方差大于3F 的方差,依次类推③.,2,1122221p k a a a kp k k ==+++于是,称1F 为第一主成分,2F 为第二主成分,依此类推,有第p 个主成分。
PCA(主成分分析)的简单理解
PCA(主成分分析)的简单理解PCA(Principal Components Analysis),它是⼀种“投影(projection)技巧”,就是把⾼维空间上的数据映射到低维空间。
⽐如三维空间的⼀个球,往坐标轴⽅向投影,变成了⼀个圆。
球是3维的,圆是2维的。
在球变成圆的这个投影过程中,丢失了原来物体(球)的⼀部分“性质”---圆不是球了,只有⾯积没有体积了;也保留了原来物体的⼀部分性质---圆和球还是很像的……⽽对于⼀个训练样本y⽽⾔,假设它有M个特征(M维),y={y1, y2,...y M},通过PCA,进⾏投影,降维成D维(M>D)。
为什么要降维?最主要的两个原因是:①可视化,我们只能看到⼀维、⼆维、三维空间上的物体,当某物体需要4维或以上特征表⽰时,只能想象了……②特征选择(feature selection),⽐如说采集到的某个样本由 20维特征组成,其中有⼀些特征属于“噪⾳(noise)",⽽由于某些原因,我们不想要这些“噪⾳”。
⼜⽐如说,存在特征冗余,描述⼀个球,可以⽤如下特征:(体积、⾯积、直径、半径),其实我只需要知道半径、直径、⾯积、体积这些都可以通过公式求出来。
因此,体积、⾯积、直径这些特征,相对于半径来说,是冗余的特征。
如何降维?PCA降维的⽬标就是:找到⼀种投影⽅式,将原来的M维样本y 变成 D维样本x,并且使得投影之后的D维样本x,能够尽可能多地保存原来的样本y中的信息。
由于将y投影成x,可以有不同的投影⽅向,那哪个投影⽅向⽐较好呢?即,能够尽可能多地保存原来的样本y中的信息呢?maintains the characteristics of the original object as much as possible可以使⽤⽅差来衡量投影⽅向的好坏。
如下图:上图中有“两团点”,在聚类算法中称为有两个聚簇。
将这两个簇中的点往B⽅向投影,B箭头指向的那条直线上的点,表⽰投影之后得到的新样本点,已经看不出有两个簇了。
PCA主成分分析原理
解决计算复杂度高的 问题
可以通过随机PCA、增量PCA等 方法解决计算复杂度高的问题。
处理非线性问题
可以通过核方法等方法将非线 性问题转化为线性问题,然后 再进行PCA计算。
PCA的实现及其相关工具
1
实现方法
PCA的实现方法有很多,包括基于特征值
PCA的优缺点及其局限性
优点
• PCA可以降低高维数据的维度,提高算法效率 • PCA可以提高数据的稳定性和可解释性
缺点
• PCA的计算复杂度较高,对大规模数据的处 理效率较低
• PCA对异常值和噪声较为敏感,结果会受到影响
PCA在图像处理中的应用
图像压缩
PCA可以将图像降低到低维度表 示,实现图像的压缩和传输。
PCA在机器学习中的应用
机器学习
机器学习是一种广泛应用的技术,用于利用数据和算法构建预测模型、分类器和优化系统。
应用
PCA可以将数据降低到一个合适的维度,提高机器学习算法的效率和准确度。
范例
PCA在人脸识别、文本分类、图像分割、异常检测等众多机器学习任务中都有应用。
PCA中常见问题的解决方法
处理缺失值
特征向量的性质和含义
特征向量具有方向性和正交性, 它们描述了数据在新坐标系中的 排列和变化。通过特征向量,我 们可以理解数据中不同维度的贡 献和含义。
PCA分析中特征值的分类与处理方法
正定矩阵
当协方差矩阵是正定矩阵时, 所有的特征值都是正数。这时 我们可以直接选择最大的n个特 征值对应的特征向量作为投影 矩阵,完成降维操作。
3 移动化
PCA可以进行更加轻量级 的实现,以适应移动设备 等较为薄弱的硬件环境。
主成分分析(主元分析,PCA)原理
PCA原理1因为经常做一些图像和信号处理的工作,要用到主元分析(Principal Components Analysis)作为工具。
写出来供自己和朋友参考。
PCA是一种统计技术,经常应用于人面部识别和图像压缩以及信号去噪等领域,是在高维数据中提取模式的一种常用技术。
要了解PCA首先要了解一些相关的数学知识,这里主要介绍协方差矩阵、特征值与特征矢量的概念。
1、协方差矩阵协方差总是在两维数据之间进行度量,如果我们具有超过两维的数据,将会有多于两个的协方差。
例如对于三维数据(x, y, z维),需要计算cov(x,y),cov(y,z)和cov(z,x)。
获得所有维数之间协方差的方法是计算协方差矩阵。
维数据协方差矩阵的定义为(1)这个公式告诉我们,如果我们有一个n维数据,那么协方差矩阵就是一个n行n 列的方矩阵,矩阵的每一个元素是两个不同维数据之间的协方差。
对于一个3维数据(x,y,z),协方差矩阵有3行3列,它的元素值为:(2)需要注意的是:沿着主对角线,可以看到元素值是同一维数据之间的协方差,这正好是该维数据的方差。
对于其它元素,因为cov(a,b)=cov(b,a),所以协方差矩阵是关于主对角线对称的。
2、特征值和特征矢量只要矩阵大小合适,就可以进行两矩阵相乘,特征矢量就是其中的一个特例。
考虑图2.1中两个矩阵和矢量乘法。
图2.1 一个非特征矢量和一个特征矢量的例子图2.2 一个缩放的特征矢量仍然是一个特征矢量在第一个例子中,结果矢量不是原来因子矢量与整数相乘,然而在第二个例子中,结果矢量是原来因子矢量的4倍,为什么会这样呢?该矢量是一个2维空间矢量,表示从原点(0,0)指向点(3,2)的箭矢。
方矩阵因子可以看作是转换矩阵,一个矢量左乘该转换矩阵,意味着原始矢量转换为一个新矢量。
特征矢量来自于转换特性。
设想一个转换矩阵,如果用其左乘一个矢量,映射矢量是它自身,这个矢量(以及它的所有尺度缩放)就是该转换矩阵的特征矢量。
PCA (主成分分析)详解
一、简介PCA(Principal Components Analysis)即主成分分析,是图像处理中经常用到的降维方法,大家知道,我们在处理有关数字图像处理方面的问题时,比如经常用的图像的查询问题,在一个几万或者几百万甚至更大的数据库中查询一幅相近的图像。
这时,我们通常的方法是对图像库中的图片提取响应的特征,如颜色,纹理,sift,surf,vlad等等特征,然后将其保存,建立响应的数据索引,然后对要查询的图像提取相应的特征,与数据库中的图像特征对比,找出与之最近的图片。
这里,如果我们为了提高查询的准确率,通常会提取一些较为复杂的特征,如sift,surf等,一幅图像有很多个这种特征点,每个特征点又有一个相应的描述该特征点的128维的向量,设想如果一幅图像有300个这种特征点,那么该幅图像就有300*vector(128维)个,如果我们数据库中有一百万张图片,这个存储量是相当大的,建立索引也很耗时,如果我们对每个向量进行PCA处理,将其降维为64维,是不是很节约存储空间啊?对于学习图像处理的人来说,都知道PCA是降维的,但是,很多人不知道具体的原理,为此,我写这篇文章,来详细阐述一下PCA及其具体计算过程:二、PCA详解1、原始数据:为了方便,我们假定数据是二维的,借助网络上的一组数据,如下:x=[2.5, 0.5, 2.2, 1.9, 3.1, 2.3, 2, 1, 1.5, 1.1]Ty=[2.4, 0.7, 2.9, 2.2, 3.0, 2.7, 1.6, 1.1, 1.6, 0.9]T2、计算协方差矩阵什么是协方差矩阵?相信看这篇文章的人都学过数理统计,一些基本的常识都知道,但是,也许你很长时间不看了,都忘差不多了,为了方便大家更好的理解,这里先简单的回顾一下数理统计的相关知识,当然如果你知道协方差矩阵的求法你可以跳过这里。
(1)协方差矩阵:首先我们给你一个含有n个样本的集合,依次给出数理统计中的一些相关概念:均值:标准差:方差:既然我们都有这么多描述数据之间关系的统计量,为什么我们还要用协方差呢?我们应该注意到,标准差和方差一般是用来描述一维数据的,但现实生活我们常常遇到含有多维数据的数据集,最简单的大家上学时免不了要统计多个学科的考试成绩。
PCA主成分分析原理
PCA主成分分析原理PCA的主要思想是将原始数据在协方差矩阵的特征向量上进行投影,这些特征向量被称为主成分。
第一个主成分是原始数据方差最大的方向,第二个主成分是与第一个主成分正交且方差次大的方向,依此类推。
这样,通过选择保留的主成分数量,我们可以达到对数据进行降维的目的。
具体而言,PCA的步骤如下:1.数据标准化:对原始数据进行标准化处理,使得数据的均值为0,方差为1、这一步骤可以避免不同量纲或单位的特征对PCA结果的影响。
2.计算协方差矩阵:对标准化后的数据集,计算其协方差矩阵。
协方差描述了两个变量之间的线性关系程度。
协方差矩阵的元素C(i,j)表示第i个和第j个变量之间的协方差。
3.特征值分解:对协方差矩阵进行特征值分解,得到特征值和特征向量。
特征值表示方差的大小,特征向量表示主成分的方向。
4.选择主成分:根据特征值的大小,选择保留的主成分数量。
通常选择特征值最大的前k个主成分,这些主成分可以解释数据的大部分方差。
5.投影数据:将原始数据点在保留的主成分上进行投影,得到降维后的数据表示。
在这一步骤中,我们将每个数据点转化为特征向量的线性组合。
PCA有许多实际应用。
它可以用于数据的可视化,将高维数据投影到二维或三维空间中,帮助我们观察数据的结构和相互关系。
此外,PCA还可用于数据预处理,降低噪声干扰和冗余信息,提高后续机器学习算法的效果。
最后,PCA还可用于特征选择,通过选择保留的主成分,可以解释数据的大部分方差,从而选择最重要的特征。
需要注意的是,虽然PCA能降低数据的维度,但是有时会损失一些有用的信息。
因此,在使用PCA时,要权衡降维所带来的性能提升与信息损失之间的平衡。
总结起来,PCA是一种通过描述数据在协方差矩阵的特征向量上的投影来实现降维的方法。
通过保留最大特征值对应的特征向量,PCA选择了最能解释数据方差的主成分。
PCA在数据预处理、可视化和特征选择等领域有着广泛的应用。
然而,在应用中需要平衡降维的性能提升与信息损失之间的折衷。
PCA主成分分析(Principalcomponentsanalysis)
PCA主成分分析(Principalcomponentsanalysis)问题1、⽐如拿到⼀个汽车的样本,⾥⾯既有以“千⽶/每⼩时”度量的最⼤速度特征,也有“英⾥/⼩时”的最⼤速度特征,显然这两个特征有⼀个多余。
2、拿到⼀个数学系的本科⽣期末考试成绩单,⾥⾯有三列,⼀列是对数学的兴趣程度,⼀列是复习时间,还有⼀列是考试成绩。
我们知道要学好数学,需要有浓厚的兴趣,所以第⼆项与第⼀项强相关,第三项和第⼆项也是强相关。
那是不是可以合并第⼀项和第⼆项呢?3、拿到⼀个样本,特征⾮常多,⽽样例特别少,这样⽤回归去直接拟合⾮常困难,容易过度拟合。
⽐如北京的房价:假设房⼦的特征是(⼤⼩、位置、朝向、是否学区房、建造年代、是否⼆⼿、层数、所在层数),搞了这么多特征,结果只有不到⼗个房⼦的样例。
要拟合房⼦特征‐>房价的这么多特征,就会造成过度拟合。
4、这个与第⼆个有点类似,假设在 IR 中我们建⽴的⽂档‐词项矩阵中,有两个词项为 “learn”和“study” ,在传统的向量空间模型中,认为两者独⽴。
然⽽从语义的⾓度来讲,两者是相似的,⽽且两者出现频率也类似,是不是可以合成为⼀个特征呢?5、在信号传输过程中,由于信道不是理想的,信道另⼀端收到的信号会有噪⾳扰动,那么怎么滤去这些噪⾳呢?剔除和类标签⽆关的特征,⽐如“学⽣的名字”就和他的“成绩”⽆关,使⽤的是互信息的⽅法。
剔除和类标签有关的,但⾥⾯存在噪声或者冗余的特征。
在这种情况下,需要⼀种特征降维的⽅法来减少特征数,减少噪⾳和冗余,减少过度拟合的可能性。
备注:互信息——指两个事件集合之间的相关性。
两个事件X和Y的互信息定义为:I(X,Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y) 其中 H(X,Y) 是联合熵(Joint Entropy),其定义为:H(X,Y) = - ∑ p(x,y)logp(x,y) 特征降维——去掉可分性不强和冗余的特征PCA 的思想 将 n维特征映射到 k 维上(k<n),这 k 维是全新的正交特征。
PCA主成分分析详细介绍
PCA主成分分析详细介绍PCA的核心思想是将原始数据从原始的特征空间变换到一个新的特征空间,通过线性变换将原始特征降维,比如将高维数据降维到二维或三维空间中。
这个新的特征空间是由原始特征空间中的主成分组成的,主成分是原始数据在变换后的特征空间中方差最大的方向。
具体来说,主成分分析的步骤如下:1.数据标准化:首先对数据进行标准化处理,将不同单位的数据转换为无量纲化的数据,以消除不同特征之间的量纲差异。
2.计算协方差矩阵:计算标准化后的数据的协方差矩阵,协方差矩阵反映了数据之间的线性关系。
3.特征值分解:对协方差矩阵进行特征值分解,得到特征值和对应的特征向量。
特征向量是表示新特征空间的基向量,而特征值对应着每个特征向量的重要性。
4.选择主成分:根据特征值的大小,选择前k个特征向量作为主成分。
特征值越大,说明对应的特征向量所表示的方向对数据变异的贡献越大。
5.构建新的特征空间:将选择的主成分组合起来构建新的特征空间,使用特征向量构造变换矩阵,将原始数据映射到新的低维特征空间中。
主成分分析的优势在于能够发现数据中的主要特征,去除冗余和噪声。
通过降维,可以减少数据集的维度,从而简化计算、减少存储空间和提高效率。
此外,主成分分析可以帮助发现数据中的潜在模式和相关性,进行数据可视化和数据解释。
然而,主成分分析也有一些限制和注意事项。
首先,主成分分析假设数据是线性关系,不适用于非线性数据。
此外,主成分分析无法保证每个主成分都有明确的实际含义,因此在解释结果时需要谨慎。
另外,由于选择主成分时只考虑了方差,可能会忽略一些重要的信息。
总结来说,PCA主成分分析是一种常用的降维技术,通过线性变换将高维数据映射到低维特征空间。
它能够发现数据中的主要特征,去除冗余和噪声,并且可以帮助发现数据中的潜在模式和相关性。
然而,主成分分析也有一些限制和注意事项,需要在实际应用中进行谨慎使用。
PCA主成分分析法原理分析
PCA主成分分析法原理分析PCA的主成分分析法包括以下几个关键步骤:1.数据中心化:首先,需要将数据进行中心化处理,即将每个维度的数据减去其均值。
这样做是为了消除数据之间的平移差异,使得数据均值为零。
2.计算协方差矩阵:然后,计算中心化后的数据的协方差矩阵。
协方差矩阵的元素表示了不同维度之间的相关性,其中对角线元素为每个维度的方差,非对角线元素表示两个维度之间的协方差。
3.特征值分解:对协方差矩阵进行特征值分解,得到特征值和对应的特征向量。
特征向量表示了协方差矩阵的主成分方向,而特征值表示了各个主成分的重要程度。
4.选择主成分:根据特征值的大小选择主成分。
通常选择具有最大特征值的前k个主成分,这些主成分能够解释数据中最大的方差。
这样即可实现对数据维度的压缩,将原始高维数据投影到低维空间中。
5.数据重构:根据选定的主成分,将原始数据映射到低维空间中。
通过将数据点乘以选定的主成分组成的矩阵,即可重构出低维表示的数据。
1.最大可分性:PCA试图通过选择最大方差的线性组合来达到尽可能保留更多的数据信息。
方差是表征数据分散程度的度量,选择方差最大的线性组合可以使我们保留更多的原始数据特征。
2.无关性:PCA假设主成分之间应该是无关的。
为了满足这一点,PCA试图通过计算协方差矩阵来衡量变量之间的相关性。
将数据映射到主成分上可以将原始数据的相关性转化为主成分之间的无关性。
3.数据压缩:PCA可以将高维数据映射到低维空间,实现对数据的压缩。
通过选择具有最大方差的主成分,可以将原始数据中较小方差的维度舍弃,从而实现数据的降维。
总结起来,PCA主成分分析法通过计算数据的协方差矩阵和特征值分解,找到数据中最大方差的主成分,实现对数据维度的压缩和重构。
PCA 的关键思想是通过选择最大方差的线性组合来保留数据的主要信息,并将原始数据的相关性转化为主成分之间的无关性。
通过PCA可以实现对高维数据的降维和可视化,为数据分析提供了有力的工具。
PCA主成分分析
PCA主成分分析1.引出PCA的实际问题由于现实中的训练数据要比理想中的繁杂得多,比如一组身高的样本,里面既有以“米”度量的身高特征,又有“尺”度量的身高特征,显然有一个是多余的。
又如拿到一组信计31学生的期末考试成绩单,共三列,一列是平时学习时间,一列是学习兴趣,最后一列是考试成绩。
成绩优异的学霸们平时一定没少下功夫,很可能是兴趣使然,所以兴趣与学习强相关,而成绩和学习也是强相关。
那何不将学习与兴趣两项合为一项呢?还如北京的房价:若房子的特征有大小,地段,建造时间,楼层,环境,社区设施等等,如此多的特征,却只有二三个样本,特征非常多,而样本很少,若用回归直接拟很容易过度拟合。
最后,假设建立的一个完全竞争市场的经济矩阵,其中“边际收益”和“平均收益”,在传统的向量空间中,认为两者相互独立。
然而在完全竞争市场中,两者是相似的,而且两者出现频率也类似,是否可以合成一个特征呢?以上说的的特征很多是和类相关的,但里面存有噪声或者冗余。
在这种情况下,需要一种特征降维的方法来减少特征数,从而达到减少噪音和冗余的目的,且不会发生过度拟合。
接下来就引入主角——主成分分析(PCA)来解决部分上述实际问题。
PCA的思想是将n维特征映射到k维上(k<n),这k维是全新的正交特征称为主元,是重新构造出来的k维特征,而不是简单地从n维特征中去除其余n-k维特征。
2.PCA的目的个人理解,PCA的目的即是降噪和去冗余。
噪声字面意思即是干扰我们想听到的真正声音的声音。
假设样本中某个主要的维度A,它能代表原始数据,也就是真正想获取的东西”,它本身本来应该是很突出的,但由于它与其他维度有那么一些相关性,受到相关维度的干扰,它被削弱了,而我们希望通过PCA处理后,使维度A与其他维度的相关性尽可能减弱,进而恢复维度A应有的显著性,让我们识别A原本的声音。
冗余就是多余的意思,留着只有占地方。
假设样本中有些维度,在所有的样本上变化不明显,也就是说该维度上的方差接近于零,那么显然它对区分不同的样本丝毫起不到任何作用,这个维度即是冗余的,所以PCA应该去掉这些维度。
主成分分析( principal components analysis,PCA )
主成分分析的主要作用
3.多维数据的一种图形表示方法。 我们知道当维数大于3时便不能画出几何图形,多元统 计研究的问题大都多于3个变量。要把研究的问题用图形 表示出来是不可能的。然而,经过主成分分析后,我们可 以选取前两个主成分或其中某两个主成分,根据主成分的 得分,画出n个样品在二维平面上的分布况,由图形可直 观地看出各样品在主分量中的地位,进而还可以对样本进 行分类处理,可以由图形发现远离大多数样本点的离群点。 4.由主成分分析法构造回归模型。即把各主成分作为 新自变量代替原来自变量x做回归分析。
主成分分析( PRINCIPAL COMPONENTS ANALYSIS,PCA )
主成分分析介绍 基本思想 基本原理 作用 计算 主成分个数选取原则 例题 SPSS操作
主成分分析介绍
在统计学中,主成分分析(principal components analysis, PCA)是一种简化数据集的技术。它是一个线 性变换。这个变换把数据变换到一个新的坐标系统中, 使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标(称为第 一主成分)上,第二大方差在第二个坐标(第二主成分)上, 依次类推。主成分分析经常用减少数据集的维数,同时 保持数据集的对方差贡献最大的特征。这是通过保留低 阶主成分,忽略高阶主成分做到的。这样低阶成分往往 能够保留住数据的最重要方面。但是,这也不是一定的, 要视具体应用而定。
x3
的
例题
1. 求样本均值和样本协方差矩阵
46.67 S 17.12 21.11 30.00 32.58 55.53 2. 求解协方差矩阵的特征方程 S I 0
46.67 17.12 30.00 17.12 30.00 21.11 32.பைடு நூலகம்8 0 32.58 55.53
主成分分析PCA(含有详细推导过程以和案例分析matlab版)
主成分分析法(PCA)在实际问题中.我们经常会遇到研究多个变量的问题.而且在多数情况下.多个变量之间常常存在一定的相关性。
由于变量个数较多再加上变量之间的相关性.势必增加了分析问题的复杂性。
如何从多个变量中综合为少数几个代表性变量.既能够代表原始变量的绝大多数信息.又互不相关.并且在新的综合变量基础上.可以进一步的统计分析.这时就需要进行主成分分析。
I. 主成分分析法(PCA)模型(一)主成分分析的基本思想主成分分析是采取一种数学降维的方法.找出几个综合变量来代替原来众多的变量.使这些综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量.而且彼此之间互不相关。
这种将把多个变量化为少数几个互相无关的综合变量的统计分析方法就叫做主成分分析或主分量分析。
主成分分析所要做的就是设法将原来众多具有一定相关性的变量.重新组合为一组新的相互无关的综合变量来代替原来变量。
通常.数学上的处理方法就是将原来的变量做线性组合.作为新的综合变量.但是这种组合如果不加以限制.则可以有很多.应该如何选择呢?如果将选取的第一个线性组合即第一个综合变量记为1F .自然希望它尽可能多地反映原来变量的信息.这里“信息”用方差来测量.即希望)(1F Var 越大.表示1F 包含的信息越多。
因此在所有的线性组合中所选取的1F 应该是方差最大的.故称1F 为第一主成分。
如果第一主成分不足以代表原来p 个变量的信息.再考虑选取2F 即第二个线性组合.为了有效地反映原来信息.1F 已有的信息就不需要再出现在2F 中.用数学语言表达就是要求0),(21 F F Cov .称2F 为第二主成分.依此类推可以构造出第三、四……第p 个主成分。
(二)主成分分析的数学模型 对于一个样本资料.观测p 个变量p x x x ,,21.n 个样品的数据资料阵为:⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=np n n p p x x x x x x x x x X 212222111211()p x x x ,,21=其中:p j x x x x nj j j j ,2,1,21=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=主成分分析就是将p 个观测变量综合成为p 个新的变量(综合变量).即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=ppp p p p pp p p x a x a x a F x a x a x a F x a x a x a F 22112222121212121111 简写为:p jp j j j x x x F ααα+++= 2211p j ,,2,1 =要求模型满足以下条件:①j i F F ,互不相关(j i ≠.p j i ,,2,1, =) ②1F 的方差大于2F 的方差大于3F 的方差.依次类推 ③.,2,1122221p k a a a kp k k ==+++于是.称1F 为第一主成分.2F 为第二主成分.依此类推.有第p 个主成分。
主成分分析( PCA)
主成分分析(PCA)主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是将原本鉴定到的所有代谢物重新线性组合,形成一组新的综合变量,同时根据所分析的问题从中选取2-3个综合变量,使它们尽可能多地反映原有变量的信息,从而达到降维的目的。
同时,对代谢物进行主成分分析还能从总体上反应组间和组内的变异度。
总体样本PCA 分析采用PCA 的方法观察所有各组样本之间的总体分布趋势,找出可能存在的离散样本,综合考虑各种因素(样品数,样品珍贵程度,离散程度)决定离散点的除去与否。
所有样本PCA 得分图见下图(对样本进行两两分析的PCA得分图)。
图1 主成分分析得分图百泰派克采用XCMS 软件对代谢物离子峰进行提取。
将25 个实验样本和QC 样本提取得到的峰,归一化后进行PCA 分析,如图所示QC 样本(黑色)紧密聚集在一起,表明本次试验的仪器分析系统稳定性较好,试验数据稳定可靠,在试验中获得的代谢谱差异能反映样本间自身的生物学差异。
图2 总样品的PCA得分图How to order?关于百泰派克北京百泰派克生物科技有限公司(Beijing Bio-Tech Pack Technology Company Ltd. 简称BTP)成立于2015年,是国家级高新技术企业,业务范围主要围绕蛋白和小分子代谢物检测两大板块,从事蛋白质和小分子代谢物的理化性质分析及结构解析等相关技术服务,为客户提供高性价比、高效率的技术服务。
深耕蛋白鉴定、定量蛋白组(iTRAQ/TMT、label free、DIA/SWATCH)、PRM靶蛋白定量、蛋白和抗体测序、蛋白修饰(二硫键、糖基化、磷酸化、乙酰化、泛素化等)、靶向和非靶向代谢物检测。
百泰派克生物科技检测平台包括:检测分析平台、蛋白质组学分析平台、代谢组学分析平台、蛋白质从头测序平台、生物制药分析平台和流式细胞多因子检测平台。
公司拥有独立的质谱实验室、色谱实验室、细胞培养室和免疫学实验室,以及高分辨率质谱仪和高效液相色谱。
PCA——主成分分析
PCA——主成分分析主成分分析的核心思想是将原始数据从高维空间转化为低维空间,并尽可能保留原始数据的信息。
在这个转化过程中,PCA寻找一组新的正交基向量,这些基向量被称为主成分。
第一个主成分对应的是原始数据方差最大的方向,第二个主成分对应的是与第一个主成分正交且方差次大的方向,以此类推。
这样,通过选择前k个主成分就可以将原始数据表示为一个k维的子空间,从而实现数据的降维。
具体来说,主成分分析通过以下步骤进行:1.标准化数据:将原始数据按列进行标准化,使得每个特征的均值为0,方差为1、这样做可以确保不同度量尺度的特征对结果的影响相同。
2.计算协方差矩阵:将标准化后的数据计算协方差矩阵,协方差矩阵的每个元素表示对应特征之间的协方差。
3.计算特征值和特征向量:对协方差矩阵进行特征值分解,得到特征值和对应的特征向量。
特征值表示各主成分的方差,特征向量表示各主成分的方向。
4.选择主成分:按照特征值从大到小的顺序选择前k个主成分。
选择的主成分数k可以根据特征值的大小来决定,通常可以选择前几个特征值总和占总特征值的百分比达到一定阈值时的主成分数。
5.数据投影:将原始数据投影到选择的主成分上,得到降维后的数据。
投影的计算可以通过矩阵计算来实现。
PCA的应用十分广泛。
首先,PCA可以用于降维,将高维数据映射到低维空间,减少数据的维度同时保留数据的重要结构信息,从而方便后续的可视化和分析;其次,PCA可以在建模之前进行特征选择,选择最能够表示原始数据特点的特征,能够简化模型的复杂性,加速模型的收敛速度,在一定程度上避免了“维度灾难”;此外,PCA还可以用于降噪,通过去除数据中的噪声部分,提高数据的质量。
然而,PCA也存在一些限制和缺点。
首先,PCA假设数据是线性相关的,对于非线性数据的降维效果会有限;其次,PCA的结果解释性较差,由于主成分是通过最大化方差来确定的,可能对应的并不是人们熟悉的特征;此外,PCA在处理大规模数据集时会遇到计算复杂度和内存开销的问题。
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Principal Component Analysis (PCA)
• probably the most widely-used and wellknown of the “standard” multivariate methods • invented by Pearson (1901) and Hotelling (1933) • first applied in ecology by Goodall (1954) under the name “factor analysis” (“principal factor analysis” is a synonym of PCA).
• each principal axis is a linear combination of the original two variables • PCj = ai1Y1 + ai2Y2 + … ainYn • aij’s are the coefficients for factor i, multiplied by the measured value for variable j
8
PC 1
6
4
PC 2
Variable X 2
2
0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-2
-4
-6
Variable X1
• PC axes are a rigid rotation of the original variables • PC 1 is simultaneously the direction of maximum variance and a least-squares “line of best fit” (squared distances of points away from PC 1 are minimized).
Principal Component Analysis (PCA)
Data Reduction
• summarization of data with many (p) variables by a smaller set of (k) derived (synthetic, composite) variables.
p k
n
A
n
X
Data Reduction
• “Residual” variation is information in A that is not retained in X • balancing act between
– clarity of representation, ease of understanding – oversimplification: loss of important or relevant information.
Principal Component Analysis (PCA)
• takes a data matrix of n objects by p variables, which may be correlated, and summarizes it by uncorrelated axes (principal components or principal axes) that are linear combinations of the original p variables • the first k components display as much as possible of the variation among objects.
Generalization to p-dimensions
• In practice nobody uses PCA with only 2 variables • The algebra for finding principal axes readily generalizes to p variables • PC 1 is the direction of maximum variance in the p-dimensional cloud of points • PC 2 is in the direction of the next highest variance, subject to the constraint that it has zero covariance with PC 1.
– ordered such that principal axis 1 has the highest variance, axis 2 has the next highest variance, .... , and axis p has the lowest variance – covariance among each pair of the principal axes is zero (the principal axes are uncorrelated).
8
PC 1
6
4
PC 2
Variable X 2
2
0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-2
-4
ห้องสมุดไป่ตู้
-6
Variable X1
Generalization to p-dimensions
• if we take the first k principal components, they define the k-dimensional “hyperplane of best fit” to the point cloud • of the total variance of all p variables:
Geometric Rationale of PCA
• objective of PCA is to rigidly rotate the axes of this p-dimensional space to new positions (principal axes) that have the following properties:
Geometric Rationale of PCA
1 2 Vi = ∑(Xim − Xi ) n −1 m=1
n
Geometric Rationale of PCA
• degree to which the variables are linearly correlated is represented by their covariances.
• objects are represented as a cloud of n points in a multidimensional space with an axis for each of the p variables • the centroid of the points is defined by the mean of each variable • the variance of each variable is the average squared deviation of its n values around the mean of that variable.
Generalization to p-dimensions
• PC 3 is in the direction of the next highest variance, subject to the constraint that it has zero covariance with both PC 1 and PC 2 • and so on... up to PC p
6 4
Principal Components are Computed
2
PC 2
0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-2
-4
-6
PC 1
The Dissimilarity Measure Used in PCA is Euclidean Distance
• PCA uses Euclidean Distance calculated from the p variables as the measure of dissimilarity among the n objects • PCA derives the best possible k dimensional (k < p) representation of the Euclidean distances among objects.
• variables X1 and X2 have positive covariance & each has a similar variance.
14 12
2D Example of PCA
10
Variable X 2
8
6
X2 = 4.91
+
4
2
0 0 2 4 6 8
X1 = 8.35
10 12 14 16 18 20
′ Xim
(X =
im
− Xi ) Standard deviation of variable i SDi
Mean variable i
Covariance vs Correlation
• covariances between the standardized variables are correlations • after standardization, each variable has a variance of 1.000 • correlations can be also calculated from the variances and covariances: