机器学习理论梳理1: PCA主成分分析

主成分分析 所有知识点全解 基本概念梳理 主成分分析方法,是一种使用最广泛的数据降维算法。主要思想是将n维特征映射到k维上,这k维是全新的正交特征,这些正交特征也被称为主成分,是在原有n维特征的基础上重新构造出来的k维特征。这k维构造得好不好,主要看k维空间下,对原始样本空间中数据的特点是否进行了有效的保持,这样机器学习性能才不会大打折扣,保持越多构造得就越好。 这些k维空间的正交特征可以理解为k个坐标轴,这k个坐标轴的选取是有规律的,一般第一个坐标轴选取原始数据中方差最大的方向,第m个坐标轴选取与前m-1个正交且使得数据在该轴上投影 阅读详情

机器学习的理论部分学习知识点比较乱且杂。我这里通过几篇文章,简单总结一下自己对机器学习理论的理解,以防遗忘。第一篇文章主要概述了机器学习的基本任务以及一个常用的降维方法,主成分分析。

机器学习的基本任务

机器学习能实现许多不同的任务,基本分为以下几类:

  1. 分类 : 算法需要判断输入属于哪一种类别。例如通过一张人像图片判断人的身份。
  2. 回归 : 算法需要将一个数值与输入联系起来。例如通过气象学的
    参数判断24小时的温度。
  3. 重写 : 通过观察输入,将其重写为文字形式。例如通过一张谷歌街道的图片,识别街道的名称。
  4. 翻译 : 将一系列的符号文字转化为另一种语言的符号和文字。例如将英语翻译成中文,将Java代码翻译为对应的C++代码。
  5. 异常寻找: 判断输入是不是非典型的。例如检测是否有逆行的车辆。
  6. 合成 : 生成与样本数据类似的新的样本。例如合成另一个角度的风景图。
  7. 降噪 : 对样本数据进行降噪处理。

协方差矩阵

协方差矩阵用于描述各个维度之间的联系,其元素是各个向量元素之间的协方差。
例如如果我们我们有N个维度为n的向量数据xix_ixi​,他们的协方差矩阵如下
Σ=1N∑i=1N(xi−μ)(xi−μ)T\Sigma = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(x_i-\mu)(x_i-\mu)^TΣ=N1​i=1∑N​(xi​−μ)(xi​−μ)T
其中μ\muμ是数据xix_ixi​的平均向量。协方差矩阵维度为n*n且对称。协方差矩阵中编码了数据各个维度之间的相互关系,以及各个维度的方差。例如在n=2,二维平面中,协方差矩阵可以表示为 :
Σ=(σxx  σxyσyx  σyy) \Sigma = \left( \begin{matrix} \sigma_{xx}\space\space \sigma_{xy}\\ \sigma_{yx}\space\space\sigma_{yy} \end{matrix} \right) Σ=(σxx​  σxy​σyx​  σyy​​)
主对角线描述了该维度上数据的方差,副对角线描述了各个维度之间的协方差,当各个维度处于相同数量级时可以一定程度上反应各个维度之间的相关性。

主成分分析

现实生活中的样本数据的分布可能与很多的潜在因素有关,因此使得我们的数据往往呈现出高维的形式。高维度的数据会对我们进行数据分析造成很多干扰,例如在我们进行分类分析时,随着样本容量的不断增大,维度越高,计算量将呈几何倍数的增长且难以避免的会有噪声的影响。因此如何降维也是数据预处理十分重要的步骤。其中,主成分分析可以有效地降低样本数据的维度,减少计算量的同时使得样本数据对噪音干扰更不敏感。

主成分分析 principal component analysis, 其中心思想是将高维度的数据,投影到低维度,以此来实现降维。例如下图中,将原本的二维空间(O,i1i_1i1​,i2i_2i2​)中的数据,投影到向量i1′i{_1}'i1​′上。主成分分析的要点,即是将数据投影到新的坐标系中,其中坐标系的前几个基底向量应该包含样本数据最多的信息量。在进行主成分分析之间,要对数据进行预处理,中心化规格化数据,即对每个数据作减去平均值并除以标准差的操作。
在这里插入图片描述
主成分分析的数学表示如下:
对于每个在原始坐标系中的数据点xix_ixi​,xi=xi1i1+xi2i1+...+xini1x_i = x_{i1}i_1 + x_{i2}i_1 +... +x_{in}i_1xi​=xi1​i1​+xi2​i1​+...+xin​i1​,其中xinx_{in}xin​是xix_ixi​在各个维度的分量。将数据投影到新的坐标轴i1′i{_1}'i1​′后,新的坐标为xi1′=xiTi1′x{_{i1}}' = x{_i}^Ti{_1}'xi1​′=xi​Ti1​′。数据集沿着新的坐标轴i1′i{_1}'i1​′的方差计算如下:
σ=1N∑i=1Nxi1′2=1N∑i=1Nxi1′Txi1′=1N∑i=1Ni1′TxixiTi1′\sigma = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}x{_{i1}}'^2 = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}x{_{i1}}'^Tx{_{i1}}' = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}i{_1}'^Tx_ix_{i}^Ti{_1}' σ=N1​i=1∑N​xi1​′2=N1​i=1∑N​xi1​′Txi1​′=N1​i=1∑N​i1​′Txi​xiT​i1​′

=1Ni1′T(∑i=1NxixiT)i1′ = \frac{1}{N}i{_1}'^T (\sum_{i=1}^{N}x_ix_i^T)i{_1}'=N1​i1​′T(i=1∑N​xi​xiT​)i1​′
σ=i1′TΣi1′\sigma = i{_1}'^T\Sigma i{_1}' σ=i1​′TΣi1​′
其中 Σ\SigmaΣ 是协方差矩阵 Σ=1N(∑i=1NxixiT)\Sigma = \frac{1}{N}(\sum_{i=1}^{N}x_ix_i^T)Σ=N1​(i=1∑N​xi​xiT​)
在进行主成分分析时,我们假设某一维度所包含的信息量,与该维度数据的方差是呈正相关的,因此主成分分析问题就转化成了最大值问题,使用拉格朗日乘数法,找到使方差最大化的剩余维度:
L=i1′TΣi1−λ(i1′Ti1′−1)L = i{_1}'^T \Sigma i_1 - \lambda(i{_1}'^T i{_1}' - 1)L=i1​′TΣi1​−λ(i1​′Ti1​′−1)
∂L∂i1′=0即Σi1′=λi1′\frac{\partial L}{\partial i{_1}'} = 0 即 \Sigma i{_1}' = \lambda {i_1}'∂i1​′∂L​=0即Σi1​′=λi1​′

其中,i1′i{_1}'i1​′ 和 λ\lambdaλ 分别是数据协方差矩阵的特征向量和对应的特征值。第一个投影维度对应协方差矩阵的第一个特征向量(特征值最大的特征向量)。第二个投影维度对应第二个特征向量以此类推,我们可以得到一组对应特征值递减的特征向量。通过选出协方差矩阵的前K个特征向量,我们就能选出包含信息量最大的主成分维度,实现对原始数据的降噪,排除掉高维度的干扰,使得后续的数据分析成果更稳定。

Tips : 协方差矩阵是对称构成的且至少是半正定矩阵,因此其所有的特征向量都是实数,所有的特征值都是正数或0,所有的特征向量互相垂直不相关。

机器学习| 面试题:10、PCA算法原理 PCA算法原理 主成分分析(Components Analysis,PCA)是机器学习中最经典的降维方法,也是面试中的家常便饭,因而有必要认真梳理一遍PCA的原理,甚至需要手动推导一遍。 文章目录PCA算法原理数据降维PCA概念PCA之最大可分性(最大方差)最大化方差公式推导PCA求解过程总结PCA之最近重构性(最小平方误差)最小化平方误差优化目标PCA求解过程总结PCA的优缺点总结参考资料 数据降维 在理解PCA的概念之前,我们先来认识一下什么是数据降维。降维就是用低维度的向量来表示原始高维度的特征。 例 阅读详情

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B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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PCA主成分分析最清晰推导证明过程!

写作目的 最近看PCA,觉得各个机器学习书上的证明都不够详细,总感觉看推导的过程中有知识断层的情况,最近又重新梳理了一遍矩阵分析的知识,终于把整个过程都推导了清楚。 知识预备 主成分分析证明 意义与目的 证明过程 结论 所以对X的降维过程,就是要求X与X转置相乘矩阵的特征值与特征值对应的特征向量对应的正交矩阵。 PCA过程 这是西瓜书上的PCA过程,其实通过上面的推导我们也能很自然的得出...

铁血军的小博客 8886

【scikit-learn007】主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)ML模型实战及经验总结(更新中)

1.一直以来想写下基于scikit-learn训练AI算法的系列文章,作为较火的机器学习框架,也是日常项目开发中常用的一款工具,最近刚好挤时间梳理、总结下这块儿的知识体系。 2.熟悉、梳理、总结下scikit-learn框架主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)机器学习模型相关知识体系 3.欢迎批评指正,欢迎互三,跪谢一键三连! 3.欢迎批评指正,欢迎互三,跪谢一键三连! 3.欢迎批评指正,欢迎互三,跪谢一键三连!

kngines 279

机器学习——主成分分析(PCA,纯理解)

略略翻了下书,差点儿窒息在床上…

weixin_50348308的博客 285

基于主成分分析的数据降维方法研究与应用

本论文深入研究了主成分分析(PCA)这一经典数据降维方法。首先梳理了数据降维理论和PCA的数学基础,详细推导了PCA的数学公式,并实现了包括标准PCA、核PCA和增量PCA在内的算法。接着,在多个高维数据集上进行了实验,验证了PCA的有效性。最后,探讨了PCA在图像、文本和生物数据中的应用,表明PCA能有效降低数据维度,保留主要信息,对高维数据处理具有重要的理论和应用价值。

专业代码设计 932

【机器学习基础】数学推导+纯Python实现机器学习算法19:PCA降维

Python机器学习算法实现Author:louwillMachine Learning Lab 作为一种常见的多元统计分析方法,主成分分析法(Principal Co...

fengdu78的博客 737
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Cy_coding
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