奇异值分解(SVD)

Posted 2020-10-24 小丑_jk

参考：https://www.cnblogs.com/pinard/p/6251584.html

参考：http://blog.csdn.net/u010099080/article/details/68060274

参考：https://www.zhihu.com/question/22237507

定义：

SVD用于对矩阵进行分解，假设待分解矩阵A大小为m×n的矩阵，那么矩阵A的SVD为：

以上的U是一个mxm的矩阵，Σ是一个mxn的矩阵，除了主对角线意外其他值均为0，主对角线上每个元素均为奇异值，V是一个nxn的矩阵，且U和V均满足.

下面则介绍如何求得U、Σ、V的过程。

我们将A的转置和A作矩阵相乘，那么得到nxn的方阵，由于这是一个方阵，那么我们可以进行特征分解，得到特征值和特征向量满足下式子：

这样我们则得到的特征值和对应的特征向量，将特征向量组成一个nxn的矩阵，那么就得到SVD公式的V矩阵，一般将V的每个特征向量叫做A的右奇异向量。

若将A和A的转置作矩阵相乘，那么得到mxm的矩阵，同样进行特征分解，得到如下的特征值和特征向量：

这样则得到对应的m个特征向量u和m个特征值，将的所有特征向量组成一个mxm的特征矩阵U，那么就能得到SVD矩阵里的U矩阵，一般我们将U中的每个特征向量称为A的左奇异向量。

剩下的求奇异值矩阵Σ过程，由于其除了对角线上的奇异值之外其他都是0，那么我们只需要求出对应的奇异值σ即可。

由于：

那么我们就可以得到各奇异值，进而得到奇异矩阵Σ.

判断和得到的特征向量组成的矩阵分别为V矩阵和U矩阵，以如下为例(Σ^T=Σ)：

从而发现的特征向量组成的就是SVD分解中的V矩阵，进一步可以发现特征值矩阵为奇异值矩阵的平方，即得到奇异值和特征值满足关系，同理可以得到的特征向量组成的就是SVD分解中的U矩阵。

由于奇异值和我们特征分解中的特征值类似，在奇异值矩阵中同样是从大到小排序，且奇异值减小速度非常快，在很多情况下，少量的奇异值之和能占全部奇异值之和的较高的比例，因而我们用最大的k个奇异值及对应的左右奇异向量来近似描述矩阵，即有如下表示：

其中k比n小很多，即大的矩阵A可以分解为3个小的矩阵来表示。

由于如上性质，SVD分解可以用于PCA降维，可以用来数据压缩和降噪，也可以用于推荐算法，将用户和喜好对应的矩阵作特征分解，进而得到隐含的用户需求来做推荐。

 SVD在PCA中的应用：

具体可以参考：https://www.cnblogs.com/pinard/p/6251584.html    中对PCA的讲解

在PCA原理中，提到PCA降维，需要找到样本协方差矩阵中最大的d个特征向量，然后将这d个最大的特征向量组成矩阵来作低维投影降维，在这个过程中需要先求出协方差矩阵，当样本数和特征数都很多的时候计算量会比较大。

由于有些SVD的实现算法可以不先求出对应的协方差矩阵，也可以得到对应的右奇异矩阵V，即我们不需要对PCA算法做特征分解，而是通过做SVD来完成，该方法在样本量较大的时候比较有效，其中scikit-learn的PCA算法背后真正实现的是SVD算法。

另一方面，PCA仅使用了SVD的右奇异矩阵，并没有使用左奇异矩阵。那么左奇异矩阵的作用在于：

假设我们的样本是m x n 的矩阵X，我们通过SVD分解得到最大的d个特征向量组成的m x d维矩阵U，那么我们通过如下处理：

可以得到d x n的矩阵X^‘，这个矩阵和我们原来m x n维的样本矩阵X相比，行数从原来的m减少到了d，从而对行数进行压缩，也就是说左奇异矩阵用于对行数压缩，右奇异矩阵用于对列数进行压缩，也就是PCA降维。 

例子：

 计算得：

根据，得到特征值

从而得到单位化的特征矩阵U为：

同理求解的特征值和特征向量，将特征值降序排列之后得到单位化的特征向量矩阵V为：

根据特征值的平方根得到对角矩阵：

到此，矩阵A通过SVD分解得到：