详解主成分分析PCA

Posted 2023-02-24

参考技术A

主成分分析（ Principal components analysis），简称PCA，是最主要的数据降维方法之一。本文从PCA的思想开始，一步一步推导PCA。

对于 , 。我们希望 从 维降到 维，同时希望信息损失最少。比如，从 维降到 ：

我们既可以降维到第一主成分轴，也可以降维到第二主成分轴。那么如何找到这这些主成分轴并且选择最优成分轴呢？

直观上，第一主成分轴 优于 第二主成分轴，即具有最大可分性。
下面解决一些基本概念。

欲获得原始数据新的表示空间，最简单的方法是对原始数据进行线性变换（基变换）：

其中 是原始样本， 是基向量， 是新表达。

数学表达：

其中 是行向量，表示第 个基， 是一个列向量，表示第 个原始数据记录.
当 时即 基的维度 < 数据维度时，可达到降维的目的。即：

以直角坐标系下的点(3,2)为例，欲将点(3,2)变换为新基上的坐标，就是用(3,2)与第一个基做内积运算，作为第一个新的坐标分量，然后用(3,2)与第二个基做内积运算，作为第二个新坐标的分量。

可以稍微推广一下，如果我们有m个二维向量，只要将二维向量按列排成一个两行m列矩阵，然后用“基矩阵”乘以这个矩阵，就得到了所有这些向量在新基下的值。例如(1,1)，(2,2)，(3,3)，想变换到刚才那组基上，则可以这样表示：

回顾一下，我们的目的是希望在降维过程中损失最少，换言之，我们希望投影后的数据尽可能分散开。这种分散程度可以用方差来表达， 方差 越大，数据越分散。

随机变量 表达了 的取值与其数学期望之间的偏离程度。若 较小，意味着 的取值主要集中在期望 也就是 的附近，反之，若 较大，意味着 的取值比较分散。

为了避免过于抽象，我们以一个具体的例子展开。假设我们5个样本数据，分别是 ，将它们表示成矩阵形式：

为了后续处理方便，我们首先将每个字段内所有值都减去字段均值，其结果是将每个字段都变为均值为0.

我们看上面的数据，设第一个特征为 ，第二个特征为 , 此时某一个样本可以写作：
且特征 的均值为2, 特征 的均值为3，所以变换后：

协方差 （Covariance）在 概率论 和 统计学 中用于衡量两个变量的总体 误差 。

比如对于二维随机变量 ，特征 除了自身的数学期望和方差，还需要讨论 之间互相关系的数学特征。

当 时，变量 完全独立，这也是我们希望达到的优化目标。

方差 是协方差的一种特殊情况，即当两个变量是相同的情况:

对于 二维 随机变量 ,

对于 n维 随机变量 ,

可见，协方差矩阵是 行 列的对称矩阵，主对角线上是方差，而协对角线上是协方差。

依然我们以一个具体的例子展开，还是这5个样本数据， , ，将它们去中心化后表示成矩阵形式：

那如果有 个样本的话，

对 做一些变换，用 乘以 的转置，并乘上系数1/m：

这不正是协方差矩阵嘛！

现在我们可以说：

回顾一下：

设 的协方差矩阵为 ， 的协方差矩阵为 ，且 。

我们要找的 不是别的，而是能让原始协方差矩阵对角化的 。

现在所有焦点都聚焦在了 协方差矩阵对角化 问题上。

由上文知道，协方差矩阵 是一个是对称矩阵，在线性代数上，实对称矩阵有一系列非常好的性质：

1）实对称矩阵不同特征值对应的特征向量必然正交。

2）设特征向量 重数为 ，则必然存在 个线性无关的特征向量对应于 ，因此可以将这 个特征向量单位正交化。

由上面两条可知，一个 行 列的实对称矩阵一定可以找到 个单位正交特征向量，设这 个特征向量为 ，我们将其按列组成矩阵：

则对协方差矩阵 有如下结论：

其中 为对角矩阵，其对角元素为各特征向量对应的特征值（可能有重复）。

结合上面的公式：

其中， 为对角矩阵，我们可以得到：

是协方差矩阵 的特征向量单位化后按行排列出的矩阵，其中每一行都是 的一个特征向量。如果设 按照 中特征值的从大到小，将特征向量从上到下排列，则用 的前 行组成的矩阵乘以原始数据矩阵 ，就得到了我们需要的降维后的数据矩阵 。

总结一下PCA的算法步骤：

设有 条 维数据。

1）将原始数据按列组成 行 列矩阵X

2）将 的每一行（代表一个特征）进行零均值化，即减去这一行的均值

3）求出协方差矩阵

4）求出协方差矩阵 的特征值及对应的特征向量

5）将特征向量按对应特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取前 行组成矩阵

6） 即为降维到 维后的数据

这里以上文提到的：
，将它们表示成矩阵形式：

我们用PCA方法将这组二维数据其降到一维。

为了后续处理方便，我们首先将每个特征内所有值都减去字段均值，其结果是将每个字段都变为均值为0.

因为这个矩阵的每行已经是零均值，这里我们直接求协方差矩阵：

对于矩阵 :

和 分别是特征值和特征向量，
，则：

为了使这个方程式有非零解，矩阵 的行列式必须是 0 ：

即：

则：

分解得：

找到2个特征值， , ,

when :

即：

则：

和 可以取任意值，我们取归一化的 和 ，即： ,
此时 和

when :

即：

则：

和 可以取任意值，我们取归一化的 和 ，即：
此时 和

所以：

可以验证协方差矩阵C的对角化：

最后我们用 的第一行乘以数据矩阵，就得到了降维后的表示：

降维投影结果如下图：