非负矩阵分解方法综述

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NMF综述报告

NMF综述报告

人脸识别的非负矩阵分解(NMF)方法文献综述摘要:人类对整体的感知是基于对部分的感知,NMF(非负矩阵分解,Non-negative matrix factorization)的思想正是源于此。

通过对矩阵分解因子加入了非负性约束,使得对高维非负原始数据矩阵的分解结果不存在负值,且具有一定的稀疏性,因而得到了相对低维、纯加性、拥有一定稀疏特性的分解结果。

与PCA(主成分分析,principal components analysis)等传统人脸识别方法相比,NMF的基图像就是人脸的各个局部特征,并且通过对经典算法的一系列优化,改进的NMF算法的识别率和鲁棒性较传统方法有着显著优势。

此外,NMF在机器学习、语义理解等领域也有着重要应用。

关键词:非负矩阵分解(NMF)稀疏性改进的NMF 语义理解一、引言在实际中的许多数据都具有非负性,而现实中对数据的处理又要求数据的低秩性经典的数据处理方法一般不能够确保非负性的要求,如何找到一个非负的低秩矩阵来近似原数据矩阵成为一个关键问题。

在这样的背景下,NMF方法应运而生。

NMF方法思想最早可以追溯到由Paatero和Tapper在1994年提出的正矩阵分解(Positive Matrix Factorization,PMF)[1];此后1999年,Lee和Seung提出了一个以广义KL散度为优化目标函数的基本NMF模型算法,并将其应用于人脸图像表示[2];2001年,Lee和Seung通过对基本NMF算法进行深入研究,又提出了两个经典的NMF算法,即基于欧氏距离测度的乘性迭代算法和基于广义KL散度的乘性迭代算法,并给出了收敛性证明[3],这两种算法称为NMF方法的基准算法,广泛应用于各个领域。

但是在实际应用中,由于经典的基准NMF算法存在收敛速度较慢,未利用统计特征,对光线、遮挡等敏感,以及无法进行增量学习等问题,各种改进的NMF算法被提出。

其中包括Lin提出的基于投影梯度(Projected Gradient,PG)的NMF方法[3],该方法有着很高的分解精度;Berry提出的基于投影非负最小二乘(Projected Non-negative Least Square,PNLS)的NMF方法[5],通过这种方法得到的基矩阵的稀疏性、正交性叫基准NMF方法都更好;此外还有牛顿类方法[6]和基于有效集[7]的NMF方法等。

非负矩阵分解算法

非负矩阵分解算法

非负矩阵分解算法
1 非负矩阵分解
非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization,NMF)是
一种特殊的矩阵分解,它采用的分解维度包含非负的值。

NMF的定义是这样的:给定一个m阶n列非负矩阵A,有k非负数,将其分解成两个
m阶n列非负矩阵W和H,使得:A = WH.NMF可以应用于许多不同领域,包括信号处理、数据挖掘、图像处理、信息检索、自然语言处理等领域。

2 优点
非负矩阵分解具有许多优点:首先,非负矩阵分解有着很明显的
几何解释,可以用于多维数据挖掘,聚类和可视化。

其次,它的算法
本身不需要依赖于边界条件和/或初始条件,算法具有高度稳定性,用
于提取潜在信息特征,例如隐藏结构、主题、技能、现象等。

此外,
非负矩阵分解可以用较少的计算消耗从较大的数据集中提取有用的特征,从而降低空间需求并提高运行效率。

3 应用
非负矩阵分解的应用较广泛,在数据挖掘领域可用于高维数据降维、高维数据可视化、文本挖掘、模式挖掘以及聚集分析等方面。


信号处理方面,NMF可以用来提取信号中的有效信息,从而获得必要信息。

此外,NMF也可以用于表示图像并对其进行分类。

在自然语言处
理(Natural Language Processing)领域,NMF可以把文本表示成主题,以帮助文本分类、信息检索和在线推荐等任务。

4 结论
可以看出,非负矩阵分解在数据挖掘和信号处理等多领域具有重要的应用价值,特别是其几何解释、算法稳定性以及计算代价等众多优势的共同作用。

然而,NMF的应用还有待更多的研究,才能令它登上数据挖掘技术的高峰,为社会带来更多的发展。

nmf的名词解释

nmf的名词解释

nmf的名词解释引言在当今信息爆炸的时代,我们对于各种新概念和技术的了解变得非常重要。

本文将重点解释NMF,即非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization)的含义和应用。

希望通过深入探讨这一概念,能够让读者对于该技术有一个全面而清晰的认识。

一、什么是NMF?非负矩阵分解是一种在数据挖掘和机器学习领域常用的技术。

它可以将一个非负矩阵分解为两个非负矩阵的乘积。

换句话说,给定一个非负矩阵V,NMF的目标是找到两个非负矩阵W和H,使得它们的乘积W*H近似等于V。

其中,W被视为一组基向量,H则表示基向量在该矩阵上的线性组合。

二、NMF的原理和优势NMF的原理基于独立成分分析(Independent Component Analysis)和低秩分解(Low-Rank Decomposition)。

通过将非负矩阵分解为低秩的非负部分和非负权重系数,我们能够更好地理解数据中的隐藏模式和因素。

NMF的优势在于它能够提取出数据的局部特征,而不受全局线性关系的限制。

这意味着NMF可以捕捉到一些难以用其他方法表示的非线性关系,从而更好地挖掘数据的内在结构。

三、NMF的应用领域1. 文本挖掘在文本挖掘中,NMF可以帮助我们从大量的文本数据中提取主题信息。

通过将文档-词频矩阵进行NMF分解,我们可以发现文本集合中隐藏的主题结构,并识别关键词,从而实现文本分类和聚类等任务。

2. 图像处理NMF在图像处理领域也有广泛的应用。

它可以帮助我们提取图像的基础元素,如边缘、纹理等。

通过NMF分解得到的基向量,我们可以进行图像重构、图像压缩和图像分割等任务,从而改善图像处理的效果和质量。

3. 音频处理在音频处理方面,NMF可以用来分离复杂的音频信号。

通过将混合的音频信号矩阵进行NMF分解,我们可以恢复出原始信号的成分,从而实现音频去噪、音频源分离等任务。

4. 社交网络分析由于社交网络的庞大和复杂性,NMF可以帮助我们从海量的社交网络数据中发现用户群体和社区结构。

非负矩阵因子分解算法

非负矩阵因子分解算法

非负矩阵因子分解算法非负矩阵因子分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)是一种常用的非负矩阵分解技术,它在许多领域中都得到广泛应用。

NMF的目的是将一个非负矩阵分解为两个非负的低秩矩阵,从而提取出矩阵的潜在特征。

在NMF中,给定一个非负矩阵V,我们希望找到两个非负矩阵W和H,使得V≈W×H,其中W是一个m×r的非负矩阵,H是一个r×n的非负矩阵,r是预先设定的秩。

W和H都是非负的这个约束使得NMF能够提取出不具有线性线性相关性的特征。

NMF的优化问题可以定义为最小化目标函数:min||V - WH||,其中||.||表示矩阵的F范数为了求解这个优化问题,可以使用迭代的方法逐步优化W和H。

具体来说,首先初始化W和H为非负矩阵,然后交替更新W和H,直到满足终止条件。

1.初始化W和H为非负矩阵,可以使用随机值或者根据先验知识给定的初值。

2.更新W:固定H,通过最小化目标函数得到最优的W。

2.1计算乘法更新规则:W = W * (VH^T) / (WHH^T)2.2对W进行非负约束处理,将所有小于0的元素置为0。

3.更新H:固定W,通过最小化目标函数得到最优的H。

3.1计算乘法更新规则:H = H * (W^TV) / (W^TWH)3.2对H进行非负约束处理,将所有小于0的元素置为0。

4.判断终止条件,可以设置迭代次数上限或者设定一个阈值,当目标函数下降到一定程度或者迭代次数达到上限时,停止迭代。

5.重复步骤2和3,直到满足终止条件。

NMF的优点是提取到的特征是非负的,因此可以应用于文本挖掘、图像处理和声音信号处理等领域。

此外,NMF还具有良好的可解释性,因为W和H可以看作是每个特征在样本中的贡献度和每个样本在特征上的表示。

然而,NMF也存在一些局限性。

首先,NMF是一个非凸优化问题,因此可能会陷入局部最优解。

其次,NMF对初始值较为敏感,不同的初始值可能会导致不同的结果。

(完整word版)文献综述部分参考写法

(完整word版)文献综述部分参考写法

非负矩阵分解文献综述一、国内外研究现状近年来,技术传感器技术和计算机硬件的发展导致数据量的增加,许多经典数据分析工具被迅速压倒.因为信息采集设备只有有限的带宽,收集到的数据并不经常准确.其次,在很多情况下,从复杂现象观察到的数据,其往往代表几个相互关联的变量共同作用的综合结果。

当这些变量更少的精确定义时,在原始数据中包含的实际信息往往是重叠的、模糊的.为了处理这些海量数据,科学家产生了新的关注。

1999年,在刊物Nature上,Daniel Lee 和Sebastian Seung开始的一系列新的NMF的研究,数以百计的论文引用Lee 和Seung的论文,但一些较不为人知的事实是,在Lee 和Seung 的论文发表之前,Pentti Paatero开始了相关的工作. 虽然Lee和Seung引用Paatero的论文,Lee和Seung将Paatero的工作称为正矩阵分解,然而,Paatero的工作很少被后来的作者所引用。

这是因为Paatero将其工作称为正矩阵分解,这是误导Paatero创建NMF算法.实际上Paatero年前发表了他最初的分解算法[1]。

2005年,Lin为了加速Lee和Seung的NMF迭代算法的收敛速度,最近提出使用投影梯度有约束的优化方法[2],该方法与标准的(乘法更新规则)的方法相比,计算似乎有更好的收敛性.使用某些辅助约束,可以降低分解有约束的优化假设,降低投影梯度方法的局限性。

2007年,V。

Blondel等对标准NMF算法进行了加权改进,提出了加权NMF方法[3]。

通过加权,更好的表述了数据中的重要区域。

其加权方法是:首先,定义数据中的重要区域,然后,在优化过程中,如果在该重要区域中重建错误,就给他分配更多的权重.国内对NMF的研究相对开始的较晚。

2001 年,原微软中国研究院的李子青博士、张宏江博士等人发现Lee和Seung提出的经典NMF算法在人脸图像未得到配准的情况下,不能学习得到人脸的部件。

非负矩阵分解算法综述

非负矩阵分解算法综述
L
E U W#iHij . i= 1 此外, BNMF 常被有盲信号 分离背景 的学者 解释为
含噪声项的产生式模型: V= WH+ E[10] , E 是 M @N 的 噪声矩阵. 不同的 BNMF 算法也常可被解释为 遵循了不 同的 E分布假设下的最大似然算法.
根据需要, 可给上述模型 中的 W和 H 施加 更多的 限制, 构成 INMF.
2 NMF 简介
定义 对一个 M 维的随机向量 v 进行了 N 次的观 测, 记这些 观测 为 vj , j = 1, 2, , , N , 取 V= [ V#1, V#2, , , V#N ] , 其中 V#j = vj, j = 1, 2, , , N, BNMF 要求发现非 负的 M @L 的基矩阵 W= [ W#1, W#2, , , W#N ] 和 L @N 的系数矩阵 H = [ H#1, H#2, , , H#N ] , 使 V U WH[1] , 这 也可 以 用 向 量 标 量 积 的 形 式 更 为 直 观 地 表 示 为 V#j
Ke y words: non2negative matrix factorization; multivariate data representation; feature extraction
1 引言
在信号处理、神经网络、模式识别、计算机视觉和图 象工程的研究中, 如何构造一个能使多维观测数据被更 好描述的变换方法始终是 一个非 常重要 的问 题. 通常, 一个好的变换方法应具备 两个基 本的特 性: ( 1) 可 使数 据的某种潜在结构变得清晰; ( 2) 能使数据的 维数得到 一定程度的约减.
主分量分析、线 性鉴别 分析、投影寻 踪、因 子分析、
冗余归约和独立分量分析是一些最常用的变换方法. 它 们因被施加的限制不同而有着本质的区别, 然而, 它们 有两个共同 的特 点: ( 1) 允 许负的 分解量 存在 ( 允 许有 减性的描述) ; ( 2) 实现线性的维数约减. 区别于它们, 一 种新 的变 换方 法 ) ) ) 非负 矩 阵分 解( Nonnegative Matrix Factor, NMF) [1]由 Lee 和 Seung 在5Nature6 上提出, 它使分 解后的所有分量均为非负值(要求纯加性的描述) , 并且 同时实现非 线性 的维 数 约减. NMF 的 心理 学和 生 理学 构造依据是对整体 的感知 由对组成 整体的 部分的 感知 构成的( 纯 加性的 ) [2~ 6], 这也 符合直 观的理 解: 整 体是 由部分组成的[1], 因此它在某种意义上抓住了智能数据 描述的本质. 此外, 这 种非负 性的限 制导致 了相应 描述 在一定程度上的稀疏性[1], 稀疏性的表述已被证明是介 于完全分布式的描 述和单 一活跃 分量 的描述 3 间 的一

非奇异矩阵分解算法综述

非奇异矩阵分解算法综述

2、NMF 概念和性质
定义:对一个M维的随机向量x进行了N次的观测,记这些观测为xj,j=1,2,„, N,取观测数据矩阵为X=[x1,x2,„xn]∈IR>=0 2,„ul]
MxN
=0
MxN
,NMF旨在寻找X的基矩阵U=[u1,u
MxN
Mxl
>=0和非负系数L*N矩阵V=[源自1,v2,„vn] ∈IR>=0
附加在数据成分矩阵上的基于不同数据统计模型的约束条件和算法的底层结构 两方面的不同。然而,它们的共同点在于对因式分解后的矩阵元素特征标识没有 约束条件。换句话来说,它们允许负的分解量存在 (允许有减性的描述),并且 能实现线性的维数约减。区别于它们的,一种新的变换方法 ———非负矩阵分 解(Nonnegative Matrix Factor ,NMF),它包含有非负的约束从而部分、局部 的特征表征以及加强了相应问题的可解释性,是由 Paatero 和 Tapper 联合 Lee 和 Seung 在《Nature》上提出的。 事实上,NMF 的概念在很久以前用作为化学计量学中的“自我建模曲线分辨 率”,表明向量是连续曲线而不是离散向量的。NMF 起初被 Paatero 和 Tapper 介绍过来时使用的是正数矩阵分解的称号,注重于通过复杂的算法的实现使用 到一项专门的应用中。其中表现出来的缺陷限制了相关理论(例如算法的收敛 性、解决方案的特性)和算法之于其他应用方向的一般化的发展。所幸的是, NMF 理念因为 Lee 和 Seung 他们所做的研究工作---更为简单有效的算法和对 其局部特征表征的潜在价值的着重强调而变得越来越流行。 远超过了数学领域的探究范围,尝试为表征对象的各个部分特征提供可行算 法模型的 NMF 理论中蕴含着近似于感知机制的哲学理念,局部表征的概念看起 来很直观,但它确实是生理学和心理学案例---对整体的感知由对组成整体的部 分的感知构成的(纯加性的)的解释基础,是电脑计算对象识别问题的核心理念 之一。事实上,NMF 包含有两个互补的内涵---非负成分和纯加性。一方面,负 的成分在真实世界的数据中观测数据和潜在数据(比如影像、光谱和基因数据、 实际问题分析数据)中在物理上毫无意义,同时,现有的对象原型通常用特定 的语义进行阐述,例如在脸部识别中,其所基于的图像区域是局部的(像是脸 的局部特征,眼睛、鼻子、嘴和脸颊等)而并非是整体的。另一方面,感兴趣 对象一般通过它的对其局部特征的详细属性目录和专属附加特性进行描述识别, 有了上述两项便可以对对象进行重建就像是通过拼图辨认嫌疑犯一样。正是由 于上述特点,NMF 在实际场景任务应用中取得了巨大的成功,在文本聚类算法 中,NMF 不仅在精度改进方面也在潜在语义识别方面均超越了经典的聚类方法, 如光谱聚类。 除此之外,非负约束在某种程度上会自然而然导致稀疏性,稀疏性的表述已 被证明是介于完全分布式的描述和单一活跃分量的描述间的一种有效数据描述

非负矩阵分解聚类

非负矩阵分解聚类

非负矩阵分解聚类摘要:一、非负矩阵分解聚类原理1.非负矩阵分解2.聚类方法3.非负矩阵分解聚类二、非负矩阵分解聚类应用优势1.数据降维2.图像处理3.生物信息学4.社交网络分析三、非负矩阵分解聚类局限性1.计算复杂度2.数据噪声敏感3.模型参数选择四、非负矩阵分解聚类未来发展趋势1.高维数据分析2.大规模数据处理3.结合深度学习方法正文:非负矩阵分解聚类(Non-negative Matrix Factorization Clustering,NMF-C)是一种将数据集分解成若干个非负矩阵的方法。

非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)是一种将一个非负矩阵分解成两个非负矩阵的乘积的方法,这两个矩阵分别表示数据的潜在结构和元素之间的关系。

聚类方法则是将数据集中的相似度较高的元素划分到同一个子集中。

非负矩阵分解聚类结合了这两种方法,可以将数据集中的相似度较高的元素划分到同一个子集中。

非负矩阵分解聚类在数据降维、图像处理、生物信息学和社交网络分析等领域具有广泛应用。

数据降维是非负矩阵分解聚类的常见应用之一,通过将高维数据映射到低维空间,可以减少数据规模,提高数据处理效率。

在图像处理领域,非负矩阵分解聚类可以用于图像分割和特征提取,提高图像识别的准确性。

在生物信息学领域,非负矩阵分解聚类可以用于基因表达数据的降维和聚类分析,发现具有相似功能的基因。

在社交网络分析领域,非负矩阵分解聚类可以用于社区发现,识别社交网络中的兴趣群体。

然而,非负矩阵分解聚类也存在一些局限性。

首先,非负矩阵分解聚类的计算复杂度较高,尤其是当数据规模较大时,计算时间会显著增加。

其次,非负矩阵分解聚类对数据噪声敏感,当数据中存在异常值或缺失值时,聚类结果可能受到影响。

此外,非负矩阵分解聚类中的模型参数选择也是一个挑战,不同的参数选择可能导致不同的聚类结果。

非负矩阵分解(NMF)原理及算法实现

非负矩阵分解(NMF)原理及算法实现

⾮负矩阵分解(NMF)原理及算法实现⼀、矩阵分解回想矩阵分解是指将⼀个矩阵分解成两个或者多个矩阵的乘积。

对于上述的⽤户-商品(评分矩阵),记为能够将其分解为两个或者多个矩阵的乘积,如果分解成两个矩阵和。

我们要使得矩阵和的乘积能够还原原始的矩阵当中,矩阵表⽰的是m个⽤户于k个主题之间的关系,⽽矩阵表⽰的是k个主题与n个商品之间的关系通常在⽤户对商品进⾏打分的过程中,打分是⾮负的,这就要求:这便是⾮负矩阵分解(NMF)的来源。

⼆、⾮负矩阵分解2.1、⾮负矩阵分解的形式化定义上⾯介绍了⾮负矩阵分解的基本含义。

简单来讲,⾮负矩阵分解是在矩阵分解的基础上对分解完毕的矩阵加上⾮负的限制条件。

即对于⽤户-商品矩阵找到两个矩阵和,使得:同⼀时候要求:2.2、损失函数为了能够定量的⽐较矩阵和的近似程度,提出了两种损失函数的定义⽅式:欧⼏⾥得距离:KL散度:在KL散度的定义中,。

当且仅当时取得等号。

当定义好损失函数后,须要求解的问题就变成了例如以下的形式,相应于不同的损失函数:求解例如以下的最⼩化问题:2.3、优化问题的求解乘法更新规则,详细操作例如以下:对于欧⼏⾥得距离的损失函数:对于KL散度的损失函数:上述的乘法规则主要是为了在计算的过程中保证⾮负,⽽基于梯度下降的⽅法中,加减运算⽆法保证⾮负。

事实上上述的惩罚更新规则与梯度下降的算法是等价的。

以下以平⽅距离为损失函数说明上述过程的等价性:平⽅损失函数能够写成:使⽤损失函数对求偏导数:依照梯度下降法的思路:即为:令,即能够得到上述的乘法更新规则的形式。

2.4、⾮负矩阵分解的实现1from numpy import *2from pylab import *3from numpy import *45def load_data(file_path):6 f = open(file_path)7 V = []8for line in f.readlines():9 lines = line.strip().split("\t")10 data = []11for x in lines:12 data.append(float(x))13 V.append(data)14return mat(V)1516def train(V, r, k, e):17 m, n = shape(V)18#先随机给定⼀个W、H,保证矩阵的⼤⼩19 W = mat(random.random((m, r)))20 H = mat(random.random((r, n)))21#K为迭代次数22for x in range(k):23#error24 V_pre = W * H25 E = V - V_pre26#print E27 err = 0.028for i in range(m):29for j in range(n):30 err += E[i,j] * E[i,j]31print(err)32 data.append(err)3334if err < e:35break36#权值更新37 a = W.T * V38 b = W.T * W * H39#c = V * H.T40#d = W * H * H.T41for i_1 in range(r):42for j_1 in range(n):43if b[i_1,j_1] != 0:44 H[i_1,j_1] = H[i_1,j_1] * a[i_1,j_1] / b[i_1,j_1]4546 c = V * H.T47 d = W * H * H.T48for i_2 in range(m):49for j_2 in range(r):50if d[i_2, j_2] != 0:51 W[i_2,j_2] = W[i_2,j_2] * c[i_2,j_2] / d[i_2, j_2]5253return W,H,data5455565758if__name__ == "__main__":59#file_path = "./data_nmf"60# file_path = "./data1"61 data = []62# V = load_data(file_path)63 V=[[5,3,2,1],[4,2,2,1,],[1,1,2,5],[1,2,2,4],[2,1,5,4]]64 W, H ,error= train(V, 2, 100, 1e-5 )65print (V)66print (W)67print (H)68print (W * H)69 n = len(error)70 x = range(n)71 plot(x, error, color='r', linewidth=3)72 plt.title('Convergence curve')73 plt.xlabel('generation')74 plt.ylabel('loss')75 show()这⾥需要注意训练时r值的选择:r可以表⽰和主题数或者你想要的到的特征数K值的选择:k表⽰训练的次数,设置的越⼤模型的拟合效果越好,但是具体设置多少,要根据性价⽐看,看误差曲线的变化。

矩阵的非负分解

矩阵的非负分解

矩阵的非负分解矩阵的非负分解是一种在数学和计算科学中广泛应用的算法,它涉及将一个矩阵分解为非负矩阵的乘积。

这种分解在许多领域都有应用,包括机器学习、图像处理、统计和优化。

下面我们将详细介绍矩阵的非负分解及其相关概念。

一、矩阵分解矩阵分解,也称为矩阵因子分解或矩阵分解,是将一个复杂矩阵分解为几个简单的、易于处理的矩阵。

这些简单的矩阵通常具有特殊的结构,例如正交矩阵、对角矩阵或稀疏矩阵。

矩阵分解在解决各种问题中非常有用,因为它可以将一个复杂的问题转化为几个简单的子问题。

二、非负矩阵非负矩阵是指其所有元素均为非负数的矩阵。

非负矩阵在经济学、生物学、网络分析等领域有广泛的应用。

非负矩阵具有一些特殊的性质,例如它的特征值都是非负的,并且它的谱半径也小于等于它的最大特征值。

三、非负矩阵分解非负矩阵分解是一种特殊的矩阵分解方法,它要求分解后的矩阵是非负的。

这种方法在处理图像、文本等数据时非常有用,因为这些数据通常都具有非负性。

例如,在图像处理中,像素值是非负的,因此非负矩阵分解可以用于图像的表示和压缩。

在文本处理中,单词频数也是非负的,因此非负矩阵分解可以用于文本的表示和聚类。

四、算法实现非负矩阵分解的方法有多种,其中比较常用的是交替最小二乘法(Alternating Least Squares,简称ALS)。

该方法的基本思想是:对于一个给定的非负矩阵,首先将其分解为两个初始的非负矩阵,然后不断迭代更新这两个矩阵,直到满足一定的停止条件为止。

在迭代过程中,ALS 方法按照如下方式更新矩阵:1. 固定其中一个矩阵,对另一个矩阵进行优化;2. 固定另一个矩阵,对第一个矩阵进行优化;3. 重复上述步骤,直到达到停止条件。

一般来说,ALS 方法能够找到局部最优解而非全局最优解,但它在实践中表现出的效果往往非常好。

此外,由于非负矩阵分解的应用广泛,许多编程语言和工具包都提供了现成的ALS 实现,使得使用者可以更加方便地进行计算。

非负矩阵分解用于实现语音分离

非负矩阵分解用于实现语音分离

非负矩阵分解用于实现语音分离随着科技的不断发展,人们对于语音分离的需求也越来越大。

语音分离可以将混合在一起的多个人说话的语音信号分离出来,使得每个人的语音信号可以被单独处理和识别。

这在语音识别、音频编辑等领域具有广泛的应用前景。

非负矩阵分解作为一种有效的语音分离方法,被越来越多地研究和应用。

非负矩阵分解的原理非负矩阵分解是一种基于线性代数的数学方法。

它的核心原理是将一个矩阵分解为两个非负矩阵的乘积,即:A ≈ WH其中,A是一个m×n的非负矩阵,W和H是两个非负矩阵,分别表示矩阵A的行和列的非负系数。

在语音分离中,A通常表示混合在一起的多个人说话的语音信号,W表示每个人说话的语音信号的特征矩阵,H表示混合在一起的语音信号在每个人的特征矩阵中的系数。

非负矩阵分解的优势非负矩阵分解在语音分离领域中有着很多的优势。

首先,非负矩阵分解可以提取语音信号的高维结构特征,实现语音信号的有效分离。

其次,非负矩阵分解具有较好的鲁棒性和可靠性,能够在一定程度上处理语音信号中的噪声和干扰。

最后,非负矩阵分解算法的计算速度较快,对于大规模的语音数据分析也具有一定的优势。

非负矩阵分解的应用非负矩阵分解在语音分离领域中的应用已经被广泛研究和应用。

例如,在语音识别领域中,针对多个人说话的情况,非负矩阵分解可以实现多个人语音信号的分离和单独处理,从而提高语音识别的准确率和效率。

在音频编辑领域中,非负矩阵分解可以实现音频信号的去噪和降低噪音的影响,使得音频剪辑和混音更加准确和自然。

非负矩阵分解算法的改进尽管非负矩阵分解在语音分离领域中有着广泛的应用和优势,但是它也面临着复杂性和精度等方面的挑战。

一方面,非负矩阵分解的计算复杂度较高,需要耗费大量的计算资源和时间。

另一方面,非负矩阵分解的精度也仍然存在一定的缺陷,需要进一步提高。

因此,目前的研究重点在于对非负矩阵分解算法的改进和优化。

例如,研究人员可以通过引入先验知识、加入正则化项或者采用深度学习等方法,提高非负矩阵分解算法的准确性和效率,从而进一步发挥其在语音分离领域中的应用。

稀疏非负矩阵分解

稀疏非负矩阵分解

稀疏非负矩阵分解稀疏非负矩阵分解是一种用于处理稀疏数据集的矩阵分解方法。

在现实生活中,我们经常会遇到稀疏数据集,即大部分元素都是零的数据集。

稀疏非负矩阵分解可以将这样的数据集分解为两个非负矩阵的乘积,从而能够更好地理解和利用这些数据。

稀疏非负矩阵分解在很多领域都有广泛的应用,比如推荐系统、图像处理、文本挖掘等。

在推荐系统中,我们常常需要根据用户的历史行为数据来预测其可能感兴趣的物品。

而这些行为数据往往是稀疏的,即大部分用户与物品之间并没有交互。

通过对这些稀疏数据进行非负矩阵分解,我们可以得到用户和物品的潜在特征向量,从而能够更准确地预测用户对物品的喜好程度。

在图像处理领域,稀疏非负矩阵分解可以用于图像压缩和图像去噪。

图像是由像素点组成的矩阵,而稀疏非负矩阵分解可以将图像分解为两个非负矩阵的乘积,其中一个矩阵表示图像的结构信息,另一个矩阵表示图像的纹理信息。

通过对这两个矩阵的调整和组合,我们可以实现图像的压缩和去噪,从而减小图像的存储空间和提高图像的质量。

在文本挖掘领域,稀疏非负矩阵分解可以用于主题建模和文本分类。

主题建模是指从大量文本数据中挖掘出隐藏的主题信息,而稀疏非负矩阵分解可以将文本数据分解为两个非负矩阵的乘积,其中一个矩阵表示文本和主题之间的关系,另一个矩阵表示主题和词语之间的关系。

通过对这两个矩阵的分析和调整,我们可以得到文本的主题分布,从而更好地理解和组织文本数据。

而在文本分类中,稀疏非负矩阵分解可以用于特征选择和特征降维,从而提高分类的准确性和效率。

除了上述应用领域,稀疏非负矩阵分解还可以用于图像识别、音频处理、网络分析等多个领域。

无论在哪个领域,稀疏非负矩阵分解都能够帮助我们从稀疏数据中提取有用的信息,从而更好地理解和利用这些数据。

总结来说,稀疏非负矩阵分解是一种用于处理稀疏数据集的矩阵分解方法,具有广泛的应用前景。

通过将稀疏数据分解为两个非负矩阵的乘积,我们可以更好地理解和利用这些数据,从而在推荐系统、图像处理、文本挖掘等领域中取得更好的效果。

MATLAB中的非负矩阵分解方法详解

MATLAB中的非负矩阵分解方法详解

MATLAB中的非负矩阵分解方法详解介绍非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization,简称NMF)是一种常用的数据分析和特征提取方法。

相比于传统的矩阵分解方法,NMF具有许多独特的优势,尤其适用于处理非负数据或稀疏数据。

NMF的基本思想是将一个非负矩阵分解为两个非负矩阵的乘积,其中一个矩阵表示特征的组合权重,另一个矩阵表示特征的表示方式。

这种分解方法可以被看作是一种特征选择和降维的手段,能够提取原始数据中的主要特征信息。

NMF的应用NMF广泛应用于多个领域,包括图像处理、文本挖掘、生物信息学等。

在图像处理领域,通过NMF可以将图像数据分解为基础形状和颜色分布,实现图像的压缩和图像特征的提取。

在文本挖掘领域,NMF可以用于对文本进行主题建模和情感分析。

NMF的算法原理NMF的目标是找到两个非负矩阵W和H,使得原始矩阵V与它们的乘积WH 的近似误差最小。

这个优化问题可以通过迭代算法来求解。

常见的NMF算法有HALS、MU和Lee-Seung算法。

算法1:HALS算法HALS算法是一种基于交替最小二乘法的NMF算法。

它通过固定一个矩阵,求解另一个矩阵的更新值,然后交替迭代,最终找到近似解。

该算法的迭代过程中对更新值进行非负性约束,确保输出的矩阵非负。

HALS算法的具体流程如下:1. 初始化矩阵W和H为非负随机数;2. 固定H,通过最小二乘法求解W的更新值;3. 固定W,通过最小二乘法求解H的更新值;4. 重复步骤2和步骤3,直到满足停止准则。

算法2:MU算法MU算法是一种基于乘法更新规则的NMF算法。

与HALS算法不同,MU算法采用两个非负矩阵的元素逐个更新的方式。

该算法的迭代过程中同样对更新值进行非负性约束。

MU算法的具体流程如下:1. 初始化矩阵W和H为非负随机数;2. 根据乘法更新规则,更新矩阵W和H的元素;3. 重复步骤2,直到满足停止准则。

算法3:Lee-Seung算法Lee-Seung算法是最早提出的NMF算法之一,也是一种基于乘法更新规则的方法。

非负矩阵分解原理

非负矩阵分解原理

非负矩阵分解原理哎,说到非负矩阵分解,这玩意儿听起来挺高大上的,其实呢,它的原理和我们日常生活中的一些事情还挺相似的。

比如说,你买了一堆水果,有苹果、香蕉和橘子,然后你把这些水果分给了你的三个朋友,每个人得到的都是非负数量,也就是说,你不能给人家负数个水果,对吧?这就是非负矩阵分解的一个简单例子。

非负矩阵分解,英文叫做Non-negative Matrix Factorization,简称NMF。

它是一种数学方法,用来将一个非负矩阵分解成两个非负矩阵的乘积。

这个听起来可能有点抽象,让我给你举个更具体的例子。

想象一下,你有一个音乐播放列表,里面有很多首歌。

这些歌可以被看作是一个矩阵,每首歌的音量和节奏可以看作是矩阵的元素。

现在,你想要找出这些歌的共同特点,比如它们可能都属于某种音乐风格,或者它们都适合在某种场合播放。

非负矩阵分解就是帮你找出这些共同特点的方法。

具体来说,非负矩阵分解会将你的音乐播放列表(矩阵)分解成两个矩阵。

一个矩阵包含了所有可能的音乐风格或者场合,另一个矩阵则包含了每首歌在这些风格或场合中的“权重”。

这样,你就可以通过这两个矩阵的乘积,重新构建出原始的音乐播放列表。

这个过程就像是你在超市里买了好多不同种类的零食,然后你想要找出哪些零食是搭配在一起吃的。

非负矩阵分解就是帮你找出这些搭配的方法。

你可能会得到一个结果,比如“薯片和可乐”是一个常见的搭配,而“巧克力和果汁”则是另一个搭配。

在实际应用中,非负矩阵分解有很多用途。

比如在图像处理中,它可以被用来识别图像中的不同特征,比如人脸、建筑物等。

在文本分析中,它可以用来识别文档中的不同主题。

这些应用都是基于非负矩阵分解能够从大量数据中提取出有用信息的能力。

但是,非负矩阵分解也不是万能的。

它需要你的数据是非负的,而且它的效果很大程度上取决于你选择的分解方法和参数。

有时候,你可能需要尝试不同的方法,才能得到满意的结果。

总的来说,非负矩阵分解就像是一个神奇的工具,它可以帮助我们从复杂的数据中提取出有价值的信息。

非负矩阵分解聚类

非负矩阵分解聚类

非负矩阵分解聚类1. 简介非负矩阵分解聚类(Non-negative Matrix Factorization Clustering,NMF)是一种常用的无监督学习算法,用于发现数据集中的潜在模式和隐藏结构。

与其他聚类算法相比,NMF具有以下优点:•可解释性强:NMF将数据矩阵分解为两个非负矩阵的乘积,这两个矩阵分别代表了数据的特征和权重,可以直观地解释聚类结果。

•适用于高维稀疏数据:NMF在处理高维稀疏数据时表现出色,能够提取出有意义的特征。

•可扩展性好:NMF的计算复杂度较低,可以处理大规模数据集。

在本文中,我们将详细介绍NMF算法的原理、应用场景、算法流程以及相关实现和评估指标。

2. 算法原理NMF的核心思想是将一个非负数据矩阵分解为两个非负矩阵的乘积,即将数据矩阵X近似表示为WH,其中W和H是非负的。

给定一个非负数据矩阵X,NMF的目标是找到两个非负矩阵W和H,使得它们的乘积WH能够尽可能地接近原始数据矩阵X。

具体而言,NMF的优化目标可以定义为以下损失函数的最小化:其中,|X-WH|表示原始数据矩阵X与近似矩阵WH的差异,||·||_F表示Frobenius范数,(WH)ij表示矩阵WH的第i行第j列元素。

NMF的求解过程可以通过交替更新W和H来实现,具体步骤如下:1.初始化矩阵W和H为非负随机数。

2.交替更新矩阵W和H,使得损失函数逐步减小,直到收敛:–固定矩阵H,更新矩阵W:–固定矩阵W,更新矩阵H:3.重复步骤2,直到达到指定的迭代次数或损失函数收敛。

3. 应用场景NMF在许多领域都有广泛的应用,包括图像处理、文本挖掘、社交网络分析等。

以下是一些常见的应用场景:•图像分析:NMF可以用于图像分解、图像压缩、图像去噪等任务。

通过将图像矩阵分解为特征矩阵和权重矩阵,可以提取出图像的基础特征。

•文本挖掘:NMF可以用于主题建模、文本分类、关键词提取等任务。

通过将文档-词频矩阵分解为文档-主题矩阵和主题-词矩阵,可以发现文本数据中的主题结构。

非负矩阵分解算法综述

非负矩阵分解算法综述
非负矩阵分解算法综述
王宇辰
(兰州财经大学统计学院,甘肃兰州 730020)
摘要:非负矩阵分解是一种约束矩阵元素非负的矩阵分解技术。非负矩阵分解将高维的数据矩阵分解成为低维的基矩阵
和系数矩阵, 解决数据压缩 与聚类等数据 挖掘任务。非负矩阵分解 在机器学习、图像处理等 领域得到广泛 应用, 未来仍有较
1 非负矩阵分解的基本原理
矩阵分解方法是应用数学领域的研究重点, 其目的在 于对原始矩阵在一定约束条件下进行分解, 从而简化矩 阵运算效率并取得良好的解读性。在工程计算领域中, 矩 阵的QR分解、Cholesky分解在求解线性方程等问题上效 果良好; 在机器学习领域中, 矩阵的奇异值分解可完成对 数据的特征提取与压缩, 并广泛应用于图像处理、推荐系 统等实际问题。
X F
2
X i j iLeabharlann j矩阵 X 的迹矩阵 X 与 Y 的哈达玛积, X 与Y 对应位置元素相乘
N 阶单位矩阵
图拉普拉斯矩阵
收稿日期:2020-01-06 作者简介:王宇辰(1996 —),男,陕西渭南人,硕士研究生,研究方向:数据挖掘、数据融合。
112
王宇辰: 非负矩阵分解算法综述
2021年第 2 期
由于现实问题中存在大量混合符号的数据, D i n g 提
出Semi-NMF算法,其核心思想是当数据矩阵 X 元素有
正有负时, 仅约束系数矩阵V 元素非负, 基矩阵U 中
的元素可正可负, 优化目标函数则变为:
min
V 0
X UV
2 F

可 将 Se m i - N M F 视 为 K - m e a n s 算 法 的“ 软 聚 类 ”版 本 。
示高维数据。若采用欧式距离来度量矩阵分解的损失, 则

非负矩阵分解算法

非负矩阵分解算法

应用于寻找局部最小值。
4
梯度下降法4可能是实现起来最简单的技术,但其收敛速度可能 很慢。其他方法如共轭梯度具有更快的收敛(至少在局部最小值附 近),但是比梯度下降更复杂[8]。并且,基于梯度的方法的收敛具有 对步长选择非常敏感的缺点,这对于大型应用非常不方便。
四.乘法矫正规则
我们发现,以下“乘法矫正规则”是解决问题 1 和 2 的速度和
1
3(������3 −
T ������3TℎT)1
(15)
证明:因为显然������ ℎ, ℎ ≥ ������ ℎ ,我们只需要证明������ ℎ, ℎd ≥ ������ ℎ ,
为了证明需要,我们对比
������ ℎ = ������ ℎe + ℎ − ℎe X∇������ ℎe + g ℎ − ℎe X ������X������ ℎ − ℎe
������TU
=
Z[\ (]^]Z)[\
(7)
那么我们获得在定理 1 中给出的 H 的矫正规则。注意,该重新
调整会得出乘子因子(分母中的梯度的正分量和因子的分子中的负
分量的绝对值)。
对于散度,对角线重新调整梯度下降采取以下显示:
������TU ← ������TU + ������TU[ 3 ������3T������3U/(������������)3U − 3 ������3T] (8)
非负矩阵分解算法1
摘 要:非负矩阵分解(NMF)是一种处理多变量数据分解极为有效的方
法。这里分析了两种不同的 NMF 多重算法。它们只在矫正规则2中使用 的乘法因子上略有不同。一种算法可以最小化传统的最小二乘误差,而 另一种算法则能将广义的 Kullback-Leibler 发散度最小化。两种算法 的单调收敛性均可使用类似于用于证明期望最大化算法收敛的辅助函 数来证明。 这些算法采用对角比例梯度下降的方式,重新调整因子被 最优选择以确保收敛。

非负矩阵分解应用

非负矩阵分解应用

非负矩阵分解应用非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization,NMF)是一种常用的数据分析方法,可以将一个非负矩阵分解成两个非负矩阵的乘积。

这种方法在很多领域都有广泛应用,例如图像处理、自然语言处理、社交网络分析等。

在图像处理中,NMF被广泛应用于图像压缩和特征提取。

通过对一张图片进行NMF分解,可以得到两个矩阵,一个表示图片的主题部分,另一个表示图片的背景部分。

这样就可以将图片压缩成更小的尺寸,并且保留了重要的信息。

此外,在图像分类中,NMF也可以用来提取图片特征,并且可以帮助分类器更好地识别不同类别之间的差异。

在自然语言处理领域中,NMF被广泛应用于文本分类和主题建模。

通过对一篇文章进行NMF分解,可以得到两个矩阵,一个表示文章中包含哪些主题词汇,另一个表示每个主题词汇在文章中出现的频率。

这样就可以将一篇文章划分为不同主题,并且可以更好地理解文章所涉及的内容。

在社交网络分析中,NMF被广泛应用于社交网络用户的行为分析和社区发现。

通过对社交网络用户的行为数据进行NMF分解,可以得到两个矩阵,一个表示用户的兴趣爱好,另一个表示用户在这些兴趣爱好上的行为频率。

这样就可以更好地理解不同用户之间的差异,并且可以更好地发现社区结构。

除了以上应用外,NMF还被广泛应用于信号处理、音频处理、基因表达数据分析等领域。

在信号处理中,NMF可以用来提取信号中的重要成分,并且可以帮助识别不同信号之间的差异。

在音频处理中,NMF 可以用来提取音频中的乐器成分,并且可以帮助识别不同音乐之间的差异。

在基因表达数据分析中,NMF可以用来识别基因表达数据中的关键成分,并且可以帮助理解不同基因之间的相互作用。

综上所述,非负矩阵分解是一种非常有用的数据分析方法,在很多领域都有广泛应用。

通过对数据进行NMF分解,我们可以更好地理解数据所包含的信息,并且能够更好地发现数据之间的差异和相似性。

未来,随着数据分析技术的不断发展,NMF将会在更多的领域中得到广泛应用。

稀疏非负矩阵分解

稀疏非负矩阵分解

稀疏非负矩阵分解稀疏非负矩阵分解(Sparse Non-negative Matrix Factorization,SNMF)是一种常用的数据分析和模式识别方法,它广泛应用于文本挖掘、图像处理、推荐系统等领域。

本文将介绍稀疏非负矩阵分解的原理和应用,并探讨其在实际问题中的优势和局限性。

一、稀疏非负矩阵分解的原理稀疏非负矩阵分解是一种将原始数据矩阵分解为两个非负矩阵的方法,即将一个矩阵分解为两个因子矩阵的乘积。

其中,原始数据矩阵可以表示为一个m行n列的矩阵X,而分解后的因子矩阵分别为m 行k列的矩阵U和k行n列的矩阵V。

通过对原始数据矩阵进行分解,可以得到稀疏的因子矩阵U和V,从而实现对原始数据的降维和特征提取。

稀疏非负矩阵分解的关键在于约束因子矩阵U和V的非负性和稀疏性。

非负性约束是指因子矩阵U和V的所有元素都必须大于等于零,这种约束保证了分解后的因子矩阵具有良好的物理意义和解释性。

稀疏性约束是指因子矩阵U和V的大部分元素都为零,只有少数元素非零,这种约束可以实现对原始数据的降维和特征提取,同时减少存储和计算的开销。

二、稀疏非负矩阵分解的应用稀疏非负矩阵分解在文本挖掘、图像处理和推荐系统等领域具有广泛的应用。

在文本挖掘中,可以将文档矩阵分解为主题矩阵和词矩阵,通过对主题矩阵和词矩阵的分析,可以实现对文本的分类、聚类和关键词提取等任务。

在图像处理中,可以将图像矩阵分解为基础模式矩阵和系数矩阵,通过对基础模式矩阵和系数矩阵的分析,可以实现对图像的压缩、去噪和特征提取等任务。

在推荐系统中,可以将用户-物品评分矩阵分解为用户矩阵和物品矩阵,通过对用户矩阵和物品矩阵的分析,可以实现对用户兴趣和物品特性的建模,从而实现个性化推荐。

三、稀疏非负矩阵分解的优势稀疏非负矩阵分解具有多个优势。

首先,稀疏非负矩阵分解可以实现对原始数据的降维和特征提取,从而减少存储和计算的开销。

其次,稀疏非负矩阵分解可以保留原始数据的稀疏性和非负性,这种特性使得分解后的因子矩阵具有良好的解释性和可解释性。

非负矩阵分解算法综述

非负矩阵分解算法综述

非负矩阵分解算法综述非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization, NMF)是一种常用的非线性降维和特征提取技术,广泛应用于图像处理、文本挖掘、推荐系统等领域。

本文将对非负矩阵分解算法进行综述。

一、基本原理V≈WH其中,W的每一列可以看作是数据的一个潜在特征,H是通过组合这些特征得到的原始数据的表示。

NMF的目标是找到合适的W和H,使得V 和WH的差异最小化。

二、经典NMF算法1. Multiplicative Update(MU)Multiplicative Update算法是最早的NMF方法之一,通过迭代更新W和H的元素来最小化目标函数。

该方法简单易懂,但可能陷入局部最优解。

2. Alternating Nonnegative Least Squares(ANLS)ANLS算法通过最小二乘法对每一轮更新W和H的元素,得到更好的分解结果。

相比于MU算法,ANLS算法更稳定,但计算复杂度较高。

3. Projected Gradient Descent(PGD)PGD方法通过梯度下降法对W和H更新的过程进行限制,使得其始终保持非负。

该方法在稀疏矩阵分解问题中表现较好。

4. Sparse NMFSparse NMF算法是对NMF进行改进,引入了稀疏性约束。

通过加入稀疏性约束,该算法能够产生更加稀疏的特征表示,提高了特征提取的效果。

三、进展和拓展1.随机NMF随机NMF方法通过随机选择分解结果的初始化值,然后在迭代过程中进行更新,可以避免陷入局部最优解。

2.多尺度NMF多尺度NMF方法对输入矩阵进行多尺度分解,可以从不同尺度上捕捉到更丰富的特征信息。

3.核NMF核NMF方法利用核技巧将非负矩阵分解扩展到非线性情况,可以更好地处理非线性特征提取问题。

4.基于深度学习的NMF基于深度学习的NMF算法将NMF与深度学习模型结合,利用深度神经网络进行特征提取和分解,可以处理更加复杂的数据。

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SVD A = UΣ V T =
r T σ u v i i i i=1
What is the SVD?
7 of 30
decreasing importance
The SVD
8 of 30
Data Matrix
Am×n with rank r Examples
term-by-document matrix pixel intensity-by-image matrix gene-by-DNA microarray matrix feature-by-item matrix user-by-purchase matrix terrorist-by-action matrix
where
Dk
is diagonal, and elements of
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization
Other Low-Rank Approximations
• QR decomposition • any URVT factorization • Semidiscrete decomposition (SDD) Ak = Xk Dk YT k,
SVD A = UΣ V T =
r T σ u v i i i i=1
Low Rank Approximation use Ak =
k T σ u v i=1 i i i
in place of A


SVD Rank Reduction
Amy Langville
langvillea@ C. of Charleston Mathematics Dept.
NISS NMF Workshop February 23–24, 2007
Outline
• Two Factorizations: — Singular Value Decomposition — Nonnegative Matrix Factorization • Why factor anyway? • Computing the NMF — Early Algorithms — Recent Algorithms • Extensions of NMF
polysem
• polysems broken across several basis vectors wi
Text Mining Applications
• Data compression • Find similar terms Wk Hk 0 ≤ cos(θ) = Wk Hk q ≤ 1 0 ≤ cos(θ) = qT Wk Hk ≤ 1
SVD NMF
Ak Ak
nonneg

= =
Uk
mixed
Σk
nonneg
VT k
mixed
Wk
nonneg
Hk
nonneg
Interpretation with NMF
• columns of W are the underlying basis vectors, i.e., each of the n columns of A can be built from k columns of W. • columns of H give the weights associated with each basis vector. ⎡ . ⎤ ⎡ . ⎤ ⎡ . ⎤ . . . . . . ⎢ ⎢ ⎢ ⎥ ⎥ ⎥ Ak e1 = Wk H∗1 = ⎣ w1 ⎦ h11 + ⎣ w2 ⎦ h21 + . . . + ⎣ wk ⎦ hk1 . . . . . . . . . • Wk , Hk ≥ 0 ⇒ immediate interpretation
Reconstructed Images k = 100
Text Mining
MED dataset (k = 10)
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *1 Highest Weighted Terms in Basis Vector W *2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
10 of 30
Why use Low Rank Approximation?
• Data Compression and Storage when k << r • Remove noise and uncertainty ⇒ improved performance on data mining task of retrieval (e.g., find similar items) ⇒ improved performance on data mining task of clustering
0.5 1 1.5 weight 2 2.5
term
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *5
term
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
childre n child autistic speech group early visual anxiety emotional autism
8 7 6
sigma
4 3
5
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
k=28
Other Low-Rank Approximations
• QR decomposition • any URVT factorization • Semidiscrete decomposition (SDD) Ak = Xk Dk YT k,
1 2 weight 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
kidney marro w dna cells nephrectom y unilateral lymphocyte s bone thymidine rats
0.5 1 1.5 weight 2 2.5
term
term
Text Mining
• Find similar documents • Cluster documents
Clustering with the NMF
Clustering Terms • use rows of Wm×k = ⎛ cl.1 cl.2 term1 .9 0 ⎜ .1 term 2 .. 8 ⎝ . . . . . . . . ... ... ... . .. cl.k ⎞ .3 .. 2 ⎟ ⎠ . .
where
Dk
is diagonal, and elements of
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization BUT All create basis vectors that are mixed in sign. Negative elements make interpretation difficult.
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization BUT All create basis vectors that are mixed in sign. Negative elements make interpretation difficult. ⇒ Nonnegative Matrix Factorization
Data Matrix
Am×n with rank r Examples
term-by-document matrix pixel intensity-by-image matrix gene-by-DNA microarray matrix feature-by-item matrix user-by-purchase matrix terrorist-by-action matrix
Properties of SVD
• basis vectors ui and vi are orthogonal • uij , vij are mixed in sign = Uk Σk Ak
nonneg mixed nonneg
VT k
mixed
• U, V are dense • uniqueness—while there are many SVD algorithms, they all create the same (truncated) factorization • optimality—of all rank-k approximations, Ak is optimal A − Ak
F
= minrank(B)≤k A − B
F
Summary of Truncated SVD
Strengths • using Ak in place of A gives improved performance • noise reduction isolates essential components of matrix • best rank-k approximation • Ak is unique Weaknesses • storage—Uk and Vk are usually completely dense • interpretation of basis vectors is difficult due to mixed signs • good truncation point k is hard to determine • orthogonality restriction
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