用 Numpy 实现 PCA

Posted 2023-03-12

【中文标题】用 Numpy 实现 PCA

【英文标题】：Implementing PCA with Numpy

【发布时间】：2020-02-28 04:30:46

【问题描述】：

我想用类似于sklearn 中的类来实现 PCA。

我的寻找具有 k 个主成分的 PCA 的算法如下：

计算样本均值并转换数据集，使其以原点为中心。 计算新翻译集的协方差矩阵。 找出特征值和特征向量，按降序排列。 将数据集投影到由前 k 个特征向量跨越的向量空间。

import numpy as np


class MyPCA:
    def __init__(self, n_components):
        self.n_components = n_components

    def fit_transform(self, X):
        """
        Assumes observations in X are passed as rows of a numpy array.
        """

        # Translate the dataset so it's centered around 0
        translated_X = X - np.mean(X, axis=0)

        # Calculate the eigenvalues and eigenvectors of the covariance matrix
        e_values, e_vectors = np.linalg.eigh(np.cov(translated_X.T))

        # Sort eigenvalues and their eigenvectors in descending order
        e_ind_order = np.flip(e_values.argsort())
        e_values = e_values[e_ind_order]
        e_vectors = e_vectors[e_ind_order]

        # Save the first n_components eigenvectors as principal components
        principal_components = np.take(e_vectors, np.arange(self.n_components), axis=0)

        return np.matmul(translated_X, principal_components.T)

但是，当在 Iris 数据集上运行时，此实现产生的结果与 sklearn 的结果大不相同，并且结果并未表明数据中存在三个不同的组：

from sklearn import datasets
from sklearn.decomposition import PCA
import matplotlib.pyplot as plt


def plot_pca_results(pca_class, dataset, plot_title):
    X = dataset.data
    y = dataset.target
    y_names = dataset.target_names

    pca = pca_class(n_components=1)
    B = pca.fit_transform(X)
    B = np.concatenate([B, np.zeros_like(B)], 1)

    scatter = plt.scatter(B[:, 0], B[:, 1], c=y)
    scatter_objects, _ = scatter.legend_elements()
    plt.title(plot_title)
    plt.legend(scatter_objects, y_names, loc="lower left", title="Classes")
    plt.show()


dataset = datasets.load_iris()
plot_pca_results(MyPCA, dataset, "Iris - my PCA")
plot_pca_results(PCA, dataset, "Iris - Sklearn")

造成这种差异的原因可能是什么？我的方法在哪里，或者我的计算不正确？

【问题讨论】：

要对 PCA 的数据进行归一化，不仅需要 mean=0，还需要 stdev=1。类似translated_X = (X - np.mean(X, axis=0))/np.std(X, axis=0)

@krubo 即使在我应用了这个归一化/z-score 之后，结果仍然是关闭的。

【参考方案1】：

比较两种方法

问题在于没有标准化数据和提取特征向量（主轴）。该函数比较两种方法。

import numpy as np
from sklearn import datasets
from sklearn.decomposition import PCA
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D 

def pca_comparison(X, n_components, labels):
  """X: Standardized dataset, observations on rows
     n_components: dimensionality of the reduced space
     labels: targets, for visualization
  """

  # numpy
  # -----

  # calculate eigen values
  X_cov = np.cov(X.T)
  e_values, e_vectors = np.linalg.eigh(X_cov)

  # Sort eigenvalues and their eigenvectors in descending order
  e_ind_order = np.flip(e_values.argsort())
  e_values = e_values[e_ind_order]
  e_vectors = e_vectors[:, e_ind_order] # note that we have to re-order the columns, not rows

  # now we can project the dataset on to the eigen vectors (principal axes)
  prin_comp_evd = X @ e_vectors

  # sklearn
  # -------

  pca = PCA(n_components=n_components)
  prin_comp_sklearn = pca.fit_transform(X)

  # plotting

  if n_components == 3:
    fig = plt.figure(figsize=(10, 5))
    ax = fig.add_subplot(121, projection='3d')
    ax.scatter(prin_comp_sklearn[:, 0],
                  prin_comp_sklearn[:, 1],
                  prin_comp_sklearn[:, 1],
                  c=labels)
    ax.set_title("sklearn plot")

    ax = fig.add_subplot(122, projection='3d')
    ax.scatter(prin_comp_evd[:, 0],
                  prin_comp_evd[:, 1],
                  prin_comp_evd[:, 2],
                  c=labels)
    ax.set_title("PCA using EVD plot")
    fig.suptitle(f"Plots for reducing to n_components-D")
    plt.show()

  elif n_components == 2:
    fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    ax[0].scatter(prin_comp_sklearn[:, 0], 
                prin_comp_sklearn[:, 1],
                c=labels)
    ax[0].set_title("sklearn plot")
    ax[1].scatter(prin_comp_evd[:, 0], 
                prin_comp_evd[:, 1],
                c=labels)
    ax[1].set_title("PCA using EVD plot")
    fig.suptitle(f"Plots for reducing to n_components-D")
    plt.show()

  elif n_components == 1:
    fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    ax[0].scatter(prin_comp_sklearn[:, 0], 
                np.zeros_like(prin_comp_sklearn[:, 0]),
                c=labels)
    ax[0].set_title("sklearn plot")
    ax[1].scatter(prin_comp_evd[:, 0], 
                np.zeros_like(prin_comp_evd[:, 0]),
                c=labels)
    ax[1].set_title("PCA using EVD plot")
    fig.suptitle(f"Plots for reducing to n_components-D")
    plt.show()

  return prin_comp_sklearn, prin_comp_evd[:, :n_components] 

加载数据集、预处理和运行实验：

dataset = datasets.load_iris()

X = dataset.data
mean = np.mean(X, axis=0)

# this was missing in your implementation
std = np.std(X, axis=0)
X_std = (X - mean) / std

for n in [3, 2, 1]:
  pca_comparison(X_std, n, dataset.target)

结果

3D 图有点杂乱，但是如果您查看 2D 和 1D 的情况，您会发现如果我们将第一个主成分乘以 -1，这些图是相同的； scikit-learn PCA 实现在底层使用奇异值分解，这将提供非唯一的解决方案 (see here)。

测试：

使用来自here 的flip_signs() 函数

def flip_signs(A, B):
    """
    utility function for resolving the sign ambiguity in SVD
    http://stats.stackexchange.com/q/34396/115202
    """
    signs = np.sign(A) * np.sign(B)
    return A, B * signs

for n in [3, 2, 1]:
    sklearn_pca, evd = pca_comparison(X_std, n, dataset.target)
    assert np.allclose(*flip_signs(sklearn_pca, evd))

实施中的问题：

如果我们看一下iris数据集中的数据尺度，数据是不同尺度的。这表明我们应该标准化数据 (Read here for more)

引用上述答案的一部分：

由@ttnphns 续

什么时候更愿意对相关性（即 z 标准化变量）而不是协方差（即中心变量）进行 PCA（或因子分析或其他类似类型的分析）？

当变量是不同的测量单位时。很清楚

...

为了使用e_values, e_vectors = np.linalg.eigh(X_cov) 获得主轴，您应该提取e_vectors (documentation) 的列。您正在提取行。