多元统计分析——主成分分析法
多元统计分析的基本方法及应用
多元统计分析的基本方法及应用多元统计分析是一种基于多个变量的统计分析方法。
它是对各个变量之间关系进行分析，并进行统计推断和验证的过程。
多元统计分析涉及到多种统计方法和技术，包括多元回归分析、因子分析、聚类分析、判别分析、主成分分析、多维尺度分析等。
这些方法和技术可以用于数据挖掘、市场分析、信用风险评估、社会科学、心理学等领域的研究和应用。
一、多元回归分析多元回归分析是一种常用的统计工具，它可以通过控制一些其他变量，来了解某个变量与另一个变量的关系。
多元回归分析可以用来解决预测问题、描述性问题和推理性问题。
多元回归分析可以针对具有多个解释变量和一个目标变量的情况进行分析。
在多元回归分析中，常用的方法包括线性回归、非线性回归、逻辑回归等。
二、因子分析因子分析是一种多元统计方法，它可以用来描述一组变量或观测数据中的共同性和特征。
因子分析的基本思想是将多个相关变量归纳为一个因子或因子组合。
因子分析可以用于数据压缩、变量筛选和维度识别等方面。
当研究者需要解释多个变量间的关系时，因子分析可以起到非常有效的作用。
三、聚类分析聚类分析是一种基于数据相似性的分析技术。
它通过对数据集进行分类，寻找数据集内的同类数据，以及不同类别之间的差异。
聚类分析可以用于寻找规律、发现规律、识别群体、分类分析等方面。
聚类分析常用的方法包括层次聚类和K均值聚类。
四、判别分析判别分析是一种多元统计方法，它可以用来判别不同群体之间的差异。
这种方法可以用于市场研究、医学研究、生物学研究、工业控制等方面。
判别分析可以通过寻找差异来帮助研究者识别一组变量或因素，以及预测这些结果的影响因素，从而帮助他们更好地理解数据和结果。
五、主成分分析主成分分析是一种多元统计分析方法，它可以用来简化一组变量或因子数据。
这种方法通过对数据进行降维操作，找出影响数据最大的因素和变量组合，从而达到简化数据的目的。
主成分分析可以用于数据可视化、数据分析、特征提取等方面。
多元统计分析的基本思想与方法
多元统计分析的基本思想与方法多元统计分析是一种应用数学和统计学的方法，用于研究多个变量之间的关系和模式。
它包括多个统计技术和方法，旨在从多个变量的角度解释数据，并揭示隐藏在数据背后的结构和规律。
本文将介绍多元统计分析的基本思想和常用方法，以及其在实际应用中的意义和局限性。
一、多元统计分析的基本思想多元统计分析的基本思想是将多个变量放在同一分析框架中，通过建立统计模型和运用统计方法来探索变量之间的关系。
它关注的是多个变量之间的相互作用和共同影响，以及这些变量对于所研究问题的解释力度。
其核心思想是综合多个变量的信息，从整体上理解数据的结构和规律。
二、多元统计分析的基本方法1. 方差分析（ANOVA）方差分析是一种多元统计分析方法，用于比较多个组别或处理之间的均值差异是否显著。
它的基本原理是通过分解总变异为组内变异和组间变异，从而确定组别之间是否存在显著差异。
方差分析可以用于研究不同处理对观测变量的影响，并进行比较和推断。
2. 主成分分析（PCA）主成分分析是一种用于降维和数据压缩的多元统计方法。
它通过将原始变量线性组合，构造出一组新的无关变量，即主成分，用于解释数据的方差。
主成分分析可以减少变量维度，提取主要信息，并可用于数据可视化和模型构建。
3. 因子分析因子分析是一种用于探索变量之间潜在关系的多元统计方法。
它通过将一组相关变量归纳为相对独立的因子，揭示潜在的结构和维度。
因子分析可以帮助研究者理解变量之间的共性和差异，从而提取共同特征并简化数据分析。
4. 聚类分析聚类分析是一种用于将个体或变量划分为相似群体的多元统计方法。
它通过测量个体或变量之间的相似性，将其聚集成若干组别。
聚类分析可以帮助识别数据中的模式和群体结构，发现隐藏的规律，并为进一步研究和决策提供指导。
5. 判别分析判别分析是一种用于区分不同群体或类别的多元统计方法。
它通过构建分类函数，将个体划分到预定义的群体中。
判别分析常用于预测和识别问题，可以帮助识别关键影响因素和预测未来结果。
《多元统计实验》主成分分析实验报告二
《多元统计实验》主成分分析实验报告三、实验结果分析6.5人均粮食产量x5,经济作物占农作物播种面积x6,耕地占土地面积比x7,果园与林地面积之比x8,灌溉田占1耕地面积比例x9等五个指标有较强的相关性, 人口密度x1,人均耕地面积x2,森林覆盖率x3,农民人均收入x4相关性也很强，再作主成分分析，求样本相关矩阵的特征值和主成分载荷。
λ11/2=2.158962，λ21/2=1.4455076，λ31/2 =1.0212708，λ41/2 =0.71233588，λ51/2 =0.5614001，λ61/2 =0.43887788，λ71/2 =0.33821497，λ81/2 =0.212900230，λ91/2=0.177406876。
确定主成分分析，前两个主成分的累积方差贡献率为75.01%，前三个主成分的累积方差贡献率为86.59%，按照累积方差贡献率大于80%的原则，主成分的个数取为3，前三个主成分分别为：Z*1=0.3432x*1-0.446x*3+0.376x*5+0.379x*6+0.432x*7+0.446x*9Z*2=0.368x*1-0.614x*2-0.61x*4-0.307x*5-0.1224x*6Z*3=-0.122x*6+0.246x*7-0.950x*8第一主成分在x*7,x*9两个指标上取值为正且载荷较大，可视为反映耕地占比和灌溉田占耕地面积比例的主成分，第二主成分在x*2和x*4这两个指标的取值为负，绝对值载荷最大，不能作为人均耕地和人均收入的主成分。
第三主成分，x*8这个指标取值为负且，载荷绝对值最大，不能反映果园与林地面积之比的主成分。
根据该图结果可以认为选取前两个指标作为主成分分析的选择是正确的。
将八个指标按前两个主成分进行分类：由结果可以得出森林覆盖率为一类，人口密度、果园与林地面积之比、耕地占土地面积比、灌溉田占耕地面积比为一类，经济作物占农作物播种面积比例、人均粮食产量、农民人均收入、人均耕地面积为一类。
厦门大学《应用多元统计分析》第06章__主成分分析
另一种是椭圆扁平到了极限，变成y1轴上的一条线，第一主成 分包含有二维空间点的全部信息，仅用这一个综合变量代替原 始数据不会有任何的信息损失，此时的主成分分析效果是非常 理想的，其原因是，第二主成分不包含任何信息，舍弃它当然 没有信息损失。
矩阵表示形
式为：
Y1 Y2
cos sin
sin cos
X1 X2
TX
(6.2）
其中， T为旋转变换矩阵，它是正交矩阵，即有 T T1
或 TT I 。
易见，n个点在新坐标系下的坐标Y1和Y2几乎不相关。称它 们为原始变量X1和X2的综合变量，n个点y1在轴上的方差达 到最大，即在此方向上包含了有关n个样品的最大量信息。
i 1
性质 3 主成分 Yk 与原始变量 X i 的相关系数为
(6.20） (6.21）
(Yk , Xi )
k ii
tki
并称之为因子负荷量（或因子载荷量）。
(6.22）
证明：事实上
(Yk , Xi )
Cov(Yk , Xi ) Cov(TkX, eiX)
D(Yk )D(Xi )
k ii
其中的 ei (0, , 0,1, 0, , 0) ，它是除第 i 个元素为 1 外其他元
素均为 0 的单位向量。而
Cov(TkX, eiX) TkΣei ei(ΣTk ) ei(kTk ) keiTk ktki
多元统计分析第七章主成分分析习题答案
7.1 设随机变量12X(X ,X )'=的协差阵为21,12⎡⎤∑=⎢⎥⎣⎦试求Ｘ的特征根和特征向量，并写出主成分。
解：先求Ｘ的特征根λ，λ满足方程：21012-λ=-λ，即2(2)10-λ-=，因此两个特征根分别为123, 1.λ=λ=设13λ=对应的单位特征向量为()1121a ,a '，则()1121a ,a '满足：1121a 110a 110-⎛⎫⎡⎤⎛⎫= ⎪ ⎪⎢⎥-⎣⎦⎝⎭⎝⎭，故可以取1121a a ⎛⎛⎫ = ⎪ ⎝⎭ ⎝，其对应主成分为：112F X X 22=+；设21λ=对应的单位特征向量为()1222a ,a '，则()1222a ,a '满足：1222a 110a 110⎛⎫⎡⎤⎛⎫=⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭，故可以取1222a a ⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎝⎭- ⎝，其对应的主成分为：212F 22=-.7.2设随机变量123X (X ,X ,X )'=的协差阵为120250,002-⎡⎤⎢⎥∑=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦试求Ｘ的主成分及主成分对变量Ｘ的贡献率。
解：先求Ｘ的特征根λ，λ满足方程：12025002-λ---λ=-λ，即()2(2)610-λλ-λ+=，因此三个特征根分别为1235.8284,2,0.1716λ=λ=λ=设1 5.8284λ=对应的单位特征向量为()112131a ,a ,a '，则它满足：1121314.828420a 020.82840a 000 3.8284a 0--⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎢⎥--=⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥-⎣⎦⎝⎭⎝⎭，故可以取 112131a 10.38271a 2.41420.92392.6131a 00⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=-=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭，其对应主成分为： 112F 0.3827X 0.9239X =-，其贡献率为5.828472.86%5.828420.1716=++；设22λ=对应的单位特征向量为()122232a,a ,a '，则它满足：122232120a 0230a 0000a 0--⎡⎤⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎢⎥-= ⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭，故可以取122232a 0a 0a 1⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，其对应主成分为： 23F X =，其贡献率为225%5.828420.1716=++；设30.1716λ=对应的单位特征向量为()132333a ,a ,a '，则它满足：1323330.828420a 02 4.82840a 000 1.8284a 0-⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎢⎥-=⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭，故可以取132333a 10.92391a 0.41420.38271.0824a 00⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭，其对应主成分为： 312F 0.9239X 0.3827X =+，其贡献率为0.17162.14%5.828420.1716=++.7.3 设随机变量12X (X ,X )'=的协差阵为14,4100⎡⎤∑=⎢⎥⎣⎦试从∑和相关阵Ｒ出发求出总体主成分，并加以比较。
多元统计分析中的协方差矩阵与主成分分析
多元统计分析中的协方差矩阵与主成分分析在多元统计分析中，协方差矩阵和主成分分析是两个非常重要的概念。
协方差矩阵用于描述随机变量之间的相关性，而主成分分析则是一种通过线性变换将高维数据转化为低维数据的方法。
本文将详细介绍协方差矩阵和主成分分析的原理和应用。
一、协方差矩阵的概念和计算方法协方差矩阵是多元统计分析中用于描述随机变量之间关系的一种矩阵。
对于n个随机变量X1，X2，...，Xn，其协方差矩阵定义为一个n×n的矩阵Σ，其中Σij表示随机变量Xi和Xj之间的协方差。
协方差矩阵的计算方法如下：1. 首先计算随机变量Xi的均值μi和随机变量Xj的均值μj；2. 然后计算随机变量Xi和Xj的协方差Cov(Xi,Xj)；3. 将协方差填入协方差矩阵Σ的对应位置。
需要注意的是，协方差矩阵是一个对称矩阵，即Σij=Σji。
同时，协方差矩阵的对角线上的元素是各个随机变量的方差。
二、主成分分析的原理和步骤主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是一种通过线性变换将原始数据转化为具有统计特性的新坐标系的方法。
主成分分析的原理如下：1. 假设我们有m个样本，每个样本有n个特征，可以将这些样本表示为一个m×n的矩阵X；2. 对X进行去均值操作，即将每个特征减去该特征的均值，得到一个新的矩阵X'；3. 计算X'的协方差矩阵Σ；4. 对Σ进行特征值分解，得到特征值和对应的特征向量；5. 将特征值按照从大到小的顺序排列，选择前k个特征值对应的特征向量作为主成分；6. 将原始数据X'与主成分构成的新坐标系相乘，得到降维后的数据X''。
通过主成分分析，我们可以将高维的数据降维到低维，并且保留了大部分的信息。
主成分分析在数据降维、特征提取和数据可视化等领域都有广泛的应用。
三、协方差矩阵与主成分分析的应用协方差矩阵和主成分分析在实际应用中有着广泛的应用。
主成分分析法的原理和步骤
主成分分析法的原理和步骤主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）是一种常用的多元统计分析方法，它通过线性变换将高维数据转换为低维数据，从而实现降维和数据可视化。
PCA的基本思想是通过选取少数几个主成分，将原始变量的方差最大化，以便保留大部分的样本信息。
下面我将详细介绍PCA的原理和步骤。
一、主成分分析的原理主成分分析的核心原理是将n维的数据通过线性变换转换为k维数据（k<n），这k维数据是原始数据最具有代表性的几个维度。
主成分是原始数据在新坐标系中的方向，其方向与样本散布区域最大的方向一致，而且不同主成分之间互不相关。
也就是说，新的坐标系是通过原始数据的协方差矩阵的特征值分解得到的。
具体来说，假设我们有一个m个样本、维度为n的数据集X，其中每个样本为一个n维向量，可以表示为X=\left ( x_{1},x_{2},...,x_{m} \right )。
我们的目标是找到一组正交的基变量（即主成分）U=\left ( u_{1},u_{2},...,u_{n} \right )，使得原始数据集在这组基变量上的投影方差最大。
通过对协方差矩阵的特征值分解，可以得到主成分对应的特征向量，也就是新的基变量。
二、主成分分析的步骤主成分分析的具体步骤如下：1. 标准化数据：对于每一维度的数据，将其减去均值，然后除以标准差，从而使得数据具有零均值和单位方差。
标准化数据是为了消除不同维度上的量纲差异，确保各维度对结果的影响是相等的。
2. 计算协方差矩阵：对标准化后的数据集X，计算其协方差矩阵C。
协方差矩阵的元素c_{ij}表示第i维度与第j维度之间的协方差，可以用以下公式表示：\[c_{ij}=\frac{\sum_{k=1}^{m}\left ( x_{ik}-\bar{X_{i}} \right )\left( x_{jk}-\bar{X_{j}} \right )}{m-1}\]其中，\bar{X_{i}}表示第i维度的平均值。
[统计学]多元统计分析(何晓群 中国人民大学)5第五章主成分分析
![[统计学]多元统计分析(何晓群 中国人民大学)5第五章主成分分析](https://img.taocdn.com/s3/m/71b4f5042f60ddccdb38a008.png)
1 μ 2
则上述二元正态分布的密度函数有如下矩阵形式：
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§5.2 主成分分析的几何意义
1 1 / 2 ( X μ )'Σ 1 ( X μ ) f ( X1, X 2 ) e 1/ 2 2 | Σ |
Y1 X 1 cos X 2 sin Y2 X 1 sin X 2 cos
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§5.2 主成分分析的几何意义
其矩阵形式为：
Y1 cos Y2 sin sin X1 U X cos X 2
2012318中国人民大学六西格玛质量管理研究中心11目录上页下页返回结束52主成分分析的几何意义由第一节的介绍我们知道在处理涉及多个指标问题的时候为了提高分析的效率可以不直接对个指标构成的随机向量进行分析而是先对向量进行线性变换形成少数几个新的综合变量使得各综合变量之间相互独立且能解释原始变量尽可能多的信息这样在以损失很少部分信息为代价的前提下达到简化数据结构提高分析效率的目的
U 为旋转变换矩阵，由上式可知它是正交阵， 其中， 即满足
U' U1 ,
U 'U I
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§5.2 主成分分析的几何意义
经过这样的旋转之后，N 个样品点在 Y1 轴上的离散程度最 大，变量 Y1代表了原始数据绝大部分信息，这样，有时在研 究实际问题时，即使不考虑变量 Y2 也无损大局。因此，经过 上述旋转变换就可以把原始数据的信息集中到 Y1 轴上，对数 据中包含的信息起到了浓缩的作用。进行主成分分析的目的 就是找出转换矩阵 U ，而进行主成分分析的作用与几何意义 也就很明了了。下面我们用遵从正态分布的变量进行分析， 以使主成分分析的几何意义更为明显。为方便，我们以二元 正态分布为例。对于多元正态总体的情况，有类似的结论。
多元统计分析主成分分析
第主 成 分
二分 析 的
章基 本 概 念
定义与目的
定义
主成分分析是一种降维技术，通过线 性变换将多个具有相关性的变量转化 为少数几个互不相关的综合变量，这 些综合变量称为主成分。
目的
简化数据结构，降低维度，揭示隐藏在 数据中的模式和关系，同时保留原始数 据中的大部分变异信息。
原理与步骤
原理与步骤
02 03
碎石图（Scree Plot）
一种可视化工具，用于辅助确定主成分的数量。通过观察特征值 的变化趋势，可以判断哪些特征值对应的主成分具有较大的解释 力度，从而决定保留的主成分数量。
解释性原则
根据实际问题的需求和背景知识，选择能够解释数据变异性、反 映主要结构或关系的主成分。
第主 成 分
四分 析 的
转换数据
将原始数据转换为新的主成分坐 标系，得到主成分得分。
结果解释与讨论
结果解释
通过主成分分析，我们提取了三个主成分，这三个主成分分别代表了用户购买的商品类别、购买频率和购买金额。这 三个主成分解释了原始数据方差的80%。
结果讨论
通过主成分分析，我们可以更好地理解用户购买行为的特点和规律。例如，我们可以发现某些商品类别对用户购买行 为的影响较大，而有些商品类别的影响较小。此外，我们还可以发现购买频率和购买金额对用户购买行为的影响程度 不同。这些结果可以为电商平台的营销策略提供有价值的参考信息。
因子分析
识别潜在因子
主成分分析可以用于识别潜在的因子，这些因子可能对数据的解释有重要影响。通过主 成分分析，可以确定这些因子的数量和性质，从而更好地理解数据的内在结构。
解释变量间的关系
主成分分析可以帮助解释变量间的关系，通过将多个变量转化为少数几个主成分，可以 更好地理解变量间的相互作用和依赖关系。
多元统计分析与主成分分析的关系与应用
多元统计分析与主成分分析的关系与应用多元统计分析和主成分分析是统计学中两个重要的技术手段，它们在数据分析和统计建模中具有广泛的应用。
本文将探讨多元统计分析与主成分分析的关系以及它们在实际问题中的应用。
一、多元统计分析与主成分分析的关系多元统计分析是一种综合运用多种统计学方法和技术，研究多个变量之间关系的分析方法。
它旨在通过对大量的数据进行整合和分析，揭示不同变量之间的潜在结构和规律。
而主成分分析则是多元统计分析中常用的技术之一。
主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）是一种通过降维的方法来简化数据集的技术。
它的基本思想是通过线性组合将原始数据变换为一组新的变量，这些新变量称为主成分，它们能够尽量保留原始数据的信息。
主成分分析通过将原始数据投影到主成分上，实现数据维度的压缩和去除冗余信息。
在多元统计分析中，主成分分析被广泛应用于数据预处理、变量选择和模型建立等环节。
通过主成分分析，可以将原始的高维数据转化为少数几个主成分，从而降低数据的维度，减少模型的复杂度，同时保留了原始数据中的主要信息，有助于提取数据的潜在结构和进行更有效的数据分析。
二、主成分分析的应用1. 数据可视化主成分分析可以帮助我们对高维数据进行可视化分析。
通过将数据投影到低维的主成分上，我们可以将原始数据在二维或三维空间中进行可视化展示。
这样可以更直观地观察数据之间的关系，发现异常值和聚类结构，为后续的模型建立提供重要的参考。
2. 数据预处理在建立统计模型之前，通常需要对数据进行预处理。
主成分分析可以作为一种预处理方法，通过去除原始数据中的冗余信息和噪声，减少数据维度，提高模型的建模效率和精度。
主成分分析还可以用于数据的标准化和归一化，使得不同变量之间具有可比性，更好地满足模型的要求。
3. 变量选择在众多的变量中选择对目标变量具有显著影响的变量是建立高效模型的关键一步。
主成分分析可以通过计算各个主成分的贡献率或者变量的负荷量，来评估每个变量对数据的影响程度。
统计学中的多元统计分析方法
统计学中的多元统计分析方法统计学是一门研究数据的收集、处理和分析的学科，作为一种科学方法，统计学在各个领域都有广泛的应用。
在统计学中，多元统计分析方法被广泛使用来研究多个变量之间的关系。
本文将介绍多元统计分析的基本概念、常用方法以及在实际应用中的重要性。
一、多元统计分析的概述多元统计分析是指同时研究多个变量之间相互关系的一种统计方法。
它通过对多个变量的综合分析，揭示了变量之间的相互作用和整体特征，为数据分析提供了更全面的视角。
多元统计分析可以帮助我们理解变量之间的关系，并帮助我们做出更准确的预测和决策。
二、常用的多元统计分析方法1. 相关分析相关分析是研究两个或多个变量之间相关性的统计方法。
通过计算变量之间的相关系数，我们可以了解到它们之间的线性关系强弱和方向。
在实际应用中，相关分析可以帮助我们确定变量之间的相关性，从而找到可能对其他变量产生影响的主要因素。
2. 主成分分析主成分分析是一种降维技术，可以将多个相关变量转化为较少个数的无关变量，称为主成分。
主成分分析通过寻找变量之间的最大方差，将原始数据转化为一组新的主成分，这些主成分能够保留原始数据的大部分信息。
主成分分析在数据可视化和降维分析中得到了广泛的应用。
3. 判别分析判别分析是一种可以通过构建判别函数来预测分类变量的方法。
它通过分析自变量和因变量之间的关系，确定一个最佳判别函数，从而对未知样本进行分类。
判别分析在市场调研、社会科学、医学等领域都有广泛的应用。
4. 聚类分析聚类分析是一种将相似对象分组的方法，它通过计算不同对象之间的相似性，将它们归类到不同的群组中。
聚类分析可以帮助我们发现数据中的隐藏模式和群组结构，从而对数据进行更深入的理解和分析。
聚类分析在市场细分、推荐系统、生物学等领域中得到了广泛应用。
三、多元统计分析的重要性多元统计分析方法在现代科学研究中扮演着重要的角色。
它通过对多个变量之间的关系进行综合分析，可以帮助我们更全面地理解数据背后的规律和特征。
多元统计分析方法
多元统计分析方法多元统计分析是指同时考虑多个自变量与一个因变量之间关系的统计方法。
它可以帮助我们更全面深入地分析、理解和解释数据，揭示出变量之间的相互关系和影响，并基于这些关系提供对因变量的预测和解释。
以下将介绍多元统计分析的常见方法。
一、回归分析回归分析是通过建立一个数学模型，研究自变量与因变量之间的关系。
它可以帮助我们确定自变量对因变量的影响程度和方向，并进行预测和解释。
回归分析包括简单线性回归、多元线性回归、逐步回归、Logistic回归等方法。
1.简单线性回归分析：研究一个自变量对因变量的影响。
2.多元线性回归分析：研究多个自变量对因变量的共同影响。
3.逐步回归分析：逐步选择和删除自变量，建立较为准确的回归模型。
4. Logistic回归分析：适用于因变量为二分类变量的情况，研究自变量对因变量的影响。
二、方差分析方差分析用于比较两个或多个组别之间的平均差异是否显著。
它可以帮助我们了解不同组别之间的差异和相关因素。
1.单因素方差分析：比较一个自变量对因变量的影响。
2.双因素方差分析：比较两个自变量对因变量的影响，同时考虑两个自变量以及它们之间的交互作用。
3.多因素方差分析：比较多个自变量对因变量的影响，并可以考虑它们的交互作用。
三、协方差分析协方差分析是一种特殊的方差分析方法，用于比较两个或多个组别之间的平均差异，并控制其他因素对该差异的影响。
它可以帮助我们研究特定因素对组别间差异的贡献程度。
四、主成分分析主成分分析是一种降维方法，用于将原始的高维数据降低到更低维度的数据。
它可以帮助我们发现数据中的主要组成部分，提高数据的解释性和处理效率。
五、因子分析因子分析是一种降维方法，用于发现数据中的潜在变量并对其进行解释。
它可以帮助我们理解数据背后隐藏的结构和关系。
六、聚类分析聚类分析是一种无监督学习方法，将样本分为不同的组别或类别。
它可以帮助我们发现数据内在的结构和相似性。
七、判别分析判别分析是一种有监督学习方法，用于将样本分为两个或多个已知类别。
多元统计分析分析简介
注意：
❖ 变量聚类分析，聚类之后，各类中仍有较多的指标。也就 是说聚类分析并没有达到降维的目的。这就需要在每类中 选出一个代表指标。
❖ 具体做法是：假设某类中有k 个指标，首先分别计算类内 指标之间的相关指数 ij2 (i j,i 1,2, , k)，然后计算某个
指标与类内其他指标之间相关指数的平均数，即
六、 有序样品的聚类分析法
❖ 系统聚类和K—均值聚类中，样品的地位是彼此独 立的，没有考虑样品的次序。但在实际中，有时样 品的次序是不能变动的，例如对动植物按生长的年 龄段进行分类，年龄的顺序是不能改变的，否则就 没有实际意义了；又如在地质勘探中，需要通过岩 心了解地层结构，此时按深度顺序取样，样品的次 序也不能打乱。
设有序样品x(1),x(2),…,x(n)。他们可以是从小到达排 列，也可以是按时间的先后排列。
1）定义类的直径
设某类G包含j-i+1个样品： x(i) , x(i1) , , x( j ) , ( j i)
该类的均值向量为：
ห้องสมุดไป่ตู้
XG
j
1 i
j
x 1 t i
(t)
用D(i,j)表示这一类的直径，常用的直径有欧氏距离：
x j x1 j , x2 j , , xnj
cij cosij
n
xkixkj
k 1
n
n
xk2i xk2j
k 1 k 1
显然，∣cos αij∣ 1。
2 变量相似性的度量—— 相关系数
2）相关系数
相关系数经常用来度量变量间的相似性。变量Xi与 Xj的相关系数定义为
聚类分析
主成分分析法-EmpowerStats
主成分分析法主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量，并尽可能多地反映原来变量信息的一种多元统计分析方法，又称主分量分析。
也是数学上处理降维的一种方法。
主成分分析是设法将原来众多具有一定相关性的指标（比如P 个指标），重新组合成一组新的互相无关的综合指标来代替原来的指标。
通常数学上的处理就是将原来P个指标作线性组合，作为新的综合指标。
最经典的做法就是用F1（选取的第一个线性组合，即第一个综合指标）的方差来表达，即Var（F1）越大，表示F1包含的信息越多。
因此在所有的线性组合中选取的F1应该是方差最大的，故称F1为第一主成分。
如果第一主成分不足以代表原来P个指标的信息，再考虑选取F2即选第二个线性组合，为了有效地反映原来信息，F1已有的信息就不需要再出现在F2中，用数学语言表达就是要求cov（F1, F2）=0，则称F2为第二主成分，依此类推可以构造出第三、第四，……，第P个主成分。
主要作用1. 主成分分析能降低所研究的数据空间的维数。
即用研究m维的Y空间代替p维的X空间(m＜p)，而低维的Y空间代替高维的X空间所损失的信息很少。
即使只有一个主成分Yl（即 m ＝1）时，这个Yl仍是使用全部X变量（p个）得到的，例如要计算Yl的均值也得使用全部x 的均值。
在所选的前m个主成分中，如果某个Xi的系数全部近似于零的话，就可以把这个Xi删除，这也是一种删除多余变量的方法。
2. 有时可通过因子负荷aij的结论，弄清X变量间的某些关系。
3. 多维数据的一种图形表示方法。
当维数大于3时不能画出几何图形，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，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。
多元统计分析——基于R 语言 PPT课件-主成分分析
5.2 总体主成分及其性质
5.2.4 由相关阵求主成分时主成分性质的简单形式
我们将由相关阵得到的主成分的性质总结如下:
(1) 的协方差矩阵为对角阵;
(2)
性质
σ
= ()
= () = () = =
σ= () ;
(3) 第个主成分的方差占总方差的比例,即第个主成分的方差贡献率
④各主成分之间互不相关
5.1 主成分分析的基本原理
5.1.2 主成分分析的基本理论
设对某一事物的研究涉及p个指标,分别用, , … , 表示,这p个指标构成的p维随机向量为
= (, , … , )′。设随机向量X的均值为μ,协方差矩阵为Σ
对进行线性变换,可以形成新的综合变量,用表示,也就是说,新的综合变量可以由
(1) = ′,即为阶正交阵;
(2)的分量之间互不相关,即() = (, , … , );
(3)的个分量按方差由大到小排列,即 ≥ ≥ ⋯ ≥
5.2 总体主成分及其性质
5.2.2 主成分的性质
定义5.1
称 =
+ +⋯+
σ
= ，
′
′
≠
=
5.2 总体主成分及其性质
5.2.1 从协方差矩阵出发求解主成分
设随机向量 = (, , … , )′的协方差矩阵为, , , … , ( ≥ ≥ ⋯ ≥ )
为的特征根, , , … , 为矩阵Σ各特征根对应的标准正交特征向量,则第个主成
=1
性质5
=1
=1
1
2
2
, =
= 1
5.2 总体主成分及其性质
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思考3——服装的定型分类问题
为了较好地满足市场的需要，服装 生产厂要了解所生产的一种服装究竟设 计几种型号合适？这些型号的服装应按 怎样的比例分配生产计划才能达到较好 的经济效益？
大纲
1.基本思想 2.定义 3.主成分的性质、计算等 4.案例 5.主成分回归
E.g.Hotelling(1939)用两个主成分 反映入学考试成绩：
主成分的一般定义
一般地, X1, X 2 ,... X P
样本均数 X1, X 2,... X P
样本标准差 S1, S2 ,...SP
标准化 xi ?
Xi ? Xi Si
i ? 1,2,..., P
(1)在所有线性组合
C1 ? a11 x1 ? a12 x2 ? ... ? a1P xP
中，限定 a
?
a
2 24
?
a 225
?
a 226
?
1
(3)找第3个最佳的综合变量
C3 ? C1, C2 C3 ? a31x1 ? a32 x2 ? ... ? a36 x6
Var ?C3??最大
限定 a
2 31
?
a 232
?
a
2 33
?
a
2 34
?
a
2 35
?
a
2 36
?
1
原有6个变量，最多可找到6个独立的综合变量
Var(C1)+Var(C2)+ … +Var(Cp) =
信息总量不增不减Var(x1)+Var(x2)+ … +Var(xp)=p
主成分的计算和解释
C2 ? ? 0.539 x1 ? 0.841x2
?? 0.539?2 ? 0.8412 ? 1
VarC 2 ? 17.59
x2
C1
C2
?? ? ? ?
?? ? ?
??
?
??
?
??
? ??
??
? ??
?? ?
x1
?
?
?? ? ? ?
??
VarC 1 ? VarC 2 ? 147.44 ? 17.59 ? 165.03 VarX 1 ? VarX 2 ? 109.63 ? 55.40 ? 165.03 VarC 1 ? VarC 2 ? VarX 1 ? VarX 2
例 1985年中国人口普查资料：各省汉族青年（ 1922岁）形态学指标的平均值。
如何综合多个随机变量？
我们想要一个或几个综合变量，概括6个 形态指标的大部分信息.
注意：若某指标在人群中方差较大， 它就是一个好的指标。
寻找综合变量
标准化
xi ?
Xi ? Xi Si
i ? 1,2,...,6
xi ? 0
Si ? 1
(1)找第1个最佳的综合变量 C1
找适宜的系数 a11, a12 ,..., a16 ，使得
C1 ? a11 x1 ? a12 x2 ? ... ? a16 x6
与其他线性组合相比，有最大的方差
Var ?C1 ?最大
我们关心的是 a11, a12 ,..., a16 之间的比值 a11 : a12 :...: a16
文科能力
数理能力
预备知识： ? 方差为零的变量不能区分总体中的个体
成员；
? 可以用一个变量的方差来度量其所传递 的信息量。
主成分分析的基本概念
一个假设的例子：N=100
均数
X1
101.63
X2 50.71
方差 109.63 55.40
标准差 10.47 7.44
x1 ? X1 ? X1
x1 的均数=0
C1 ? 0.841x1 ? 0.539 x2
0.8412 ? 0.5392 ? 1
VarC 1 ? 147.44
（2）创建
C2
C2 ? a21 x1 ? a22 x2
a
2 21
?
a 关
VarC 2尽可能大。
即寻找另一个方向 C2
垂直于 C1
所有点在 C2 上的投影方差最大。
x2 的均数=0
x2 ? X 2 ? X 2
预备知识：向量
x2
2b b
a
2a
X1
aX ? bY,2aX ? 2bY,...,KaX? KbY,.等.. 方向都是同一个方向
(1)创建 C1
C1 ? a11x1 ? a12 x2 ? ... ? a16 x6
a
2 11
?
a
2 12
?
1
使得 VarC 1 尽可能大， 即寻找一个方向，使得所有点在 此方向上的投影的方差尽可能大
X2：人均GDP X4：人均出口额 X6：人均社会消费品零售额 X8：每万人高等学校在校生数 X10：人均货运总量 X 12 ：每万人电话机装机数 X 14 ：人均实际利用外资 X16：每万人科研机构数
分析全国31个地区的社会经济发展水平。
思考2
为了对常用的100种食品的生产进行 经营决策，需要就消费者对食品的嗜好 程度进行调查。要求每个消费者对食品 进行评价，按对食品的喜好程度评分， 最受欢迎的给予最高分9分，最不受欢迎 的给予最低分1分。
使得Var ?C1?最大的便是第2主成分.
………………
类似地，我们可以定义第3，第4，直到第p个
主成分。
主成分的性质
(1)主成分之间不相关 Corr(Ci，Cj)=0
(2)系数(ai1，ai2，…，aip)是单位向量 ai12+ai22+ … +aip2=1
(3)方差递降
Var(C1)≥Var(C2)≥…≥Var(Cp) (4)主成分的方差之和等于原变量的方差之和
故限定
a
2 11
?
a
2 12
?
a
2 13
?
a
2 14
?
a
2 15
?
a
2 16
?
1
(2)找第2个最佳的综合变量
C2 ? C1
找适宜的 a21, a22 ,..., a26 使得
C2 ? a21x1 ? a22 x2 ? ... ? a26 x6
Var ?C2 ??最大
限定
a 221
?
a 2 22
?
a 2 23
2 11
?
a
2 12
?
... ?
a 21 P
?
1
使得 Var ?C1? 最大的便是第1主成分。
(2)在所有线性组合
C2 ? a21 x1 ? a22 x2 ? ... ? a2 P xP
中，限定 a221 ? a222 ? ... ? a22P ? 1
P
? a1i a 2i ? 0
C2 ? C1
I ?1
主成分分析
Principal Component Analysis
思考1
反映地区社会经济发展的指标体系
X1：国内生产总值（GDP） X3：第三产业产值占GDP比重 X5：工业企业劳动生产率 X7：每万人拥有卫生技术人员数 X9：教育经费投入占GDP比重 X 11 ：人均邮电业务总量 X 13 ：人均固定资产投资 X 15 ：地方财政收入占 GDP比重 X 17：科研经费占 GDP比重