人工智能教程:PCA降维 维度 样本数 feature数

本文深入解析PCA降维技术,阐述为何降维后的特征数不能超过样本数,以及这一限制背后的数学原理。通过直观的例子,如将数据点投影到直线上,帮助读者理解PCA的运行机制。

这期给大家讲人工智能,上次有伙伴要教程,这两天给大家总结好了视频教程!

问题:PCA降维后的feature数如果少于样本数,为什么会报错把n_components一旦改为超过230后,会有截图中的错误,即:

ValueError: n_components=250 must be between 0 and min(n_samples, n_features)=230 with svd_solver='full'

 

Answer:

PCA降维实现的依旧是对features的减少,而不是样本数,这个你要记住。因此降维之后的样本数量是不变的,feature数量会变少。

为什么pca降维后feature数量多余样本数量会报错?这是算法本身决定的,要求降维后的feature数量少于样本数:

思考pca降维的原理,如果要降到n维,那就需要构建一个n维德投影空间,而这个投影空间是要通过n+1个样本数量决定的,如果样本数量太少,那就无法得到一个有效的投影空间。举个最简单的例子:

把数据点投影到一条直线上,理解为投影到一维空间,那就需要有两个或两个以上的点,这样才能确定一条直线,使样本到直线德距离之和最小,如果只有一个点,那是有无数条直线的。因此需要样本数量大于一。

人工智能教程:PCA降维 维度 样本数 feature数

 

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<think>首先,用户的问题是关于在R语言中实现PCA的代码示例。用户说:“我想获取在R语言中实现PCA的代码示例 请问R语言 PCA 实现代码 示例”。所以,我需要提供R语言的代码示例。 系统级指令: - 所有行内学表达式必须使用$...$格式。 - 独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如:[^1] 用户可见层: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证回答真实可靠。 参考站内引用: - 引用[1]: PCA方法实现人脸识别。 - 引用[2]: KMeans-PCA据分析中的应用,代码示例在Python中。 - 引用[3]: PCA在特征工程中的应用。 - 引用[4]: PCA计算特征脸和解释方差。 - 引用[5]: R语言实现自动编码器的示例代码。 用户的问题是关于R语言的PCA代码,而引用[5]提供了R语言自动编码器的代码,但自动编码器不是PCAPCA是主成分分析,而自动编码器是另一种方法。我需要提供PCA的代码。 在R语言中,PCA可以通过prcomp()函或princomp()函实现。我应该使用prcomp(),因为它更常用和推荐。 步骤: 1. 据准备:首先,需要标准化据,因为PCA对变量的尺度敏感。 2. 应用PCA:使用prcomp()函。 3. 解释结果:包括主成分得分、方差解释比例等。 4. 可视化:例如,绘制主成分的散点图。 引用相关的部分:引用[2]提到在Python中使用PCA,但用户需要R语言。引用[5]是R语言的自动编码器,不是直接PCA。我可以参考这个结构,但提供PCA的代码。 生成相关问题:在回答末尾,添加几个相关问题。 回答结构: - 介绍PCA的基本概念。 - 提供R语言代码示例。 - 解释代码步骤。 - 添加相关问题。 确保学表达式正确: - 例如,PCA学公式:据矩阵X,协方差矩阵,特征值分解等。 - 使用$...$或$$...$$格式。 最终输出: - 用中文回答。 - 代码块用代码格式。 - 末尾添加相关问题。 代码示例: 在R中,使用prcomp()函。 ```r # 加载必要包 library(stats) # 通常不需要显式加载,因为prcomp在基础包中 # 生成示例据 set.seed(123) data <- matrix(rnorm(1000), ncol = 10) # 100行,10列的据 # 标准化据(PCA通常需要标准化) data_scaled <- scale(data) # 应用PCA pca_result <- prcomp(data_scaled, scale. = TRUE) # scale. = TRUE 表示标准化,但我们已经标准化了,所以可以设为FALSE或省略 # 查看结果 summary(pca_result) # 显示主成分的方差解释比例 # 提取主成分得分 scores <- pca_result$x # 绘制前两个主成分的散点图 plot(scores[,1], scores[,2], xlab = "PC1", ylab = "PC2", main = "PCA Scatter Plot") # 查看特征向量(载荷) loadings <- pca_result$rotation ``` 解释步骤: 1. 据标准化:使用scale()函。 2. PCA计算:prcomp()。 3. 结果解释:summary()显示方差。 4. 可视化:plot()。 引用:在解释时,可以自然地添加引用。例如,提到PCA中的应用时,引用[1]或[3]。 生成相关问题: 1. PCA后如何选择主成分的量? 2. PCA在R语言中如何应用于实际据集? 3. 如何解释PCA的载荷矩阵? 确保回答真实可靠:基于标准R实践。</think>### R语言实现PCA的代码示例 主成分分析(PCA)是一种常用的技术,通过线性变换将高据投影到低空间,保留主要特征的同时减少噪声和冗余[^1]。在R语言中,PCA可以通过`prcomp()`函(基于奇异值分解)或`princomp()`函(基于特征值分解)实现,其中`prcomp()`更推荐使用,因为它值稳定性更好。以下是完整的代码示例和逐步解释。 #### 步骤说明 1. **据准备**:PCA对变量尺度敏感,需先标准化据(均值为0,标准差为1)。 2. **应用PCA**:使用`prcomp()`计算主成分。 3. **结果解释**: - 主成分得分(`pca_result$x`):后的据。 - 方差解释比例(`summary(pca_result)`):评估效果,累计方差越接近1,信息损失越少。 - 载荷矩阵(`pca_result$rotation`):表示原始变量与主成分的相关性。 4. **可视化**:绘制主成分散点图,直观展示结果。 #### R代码示例 ```r # 加载必要包(prcomp在基础stats包中,无需额外安装) library(stats) library(ggplot2) # 用于高级绘图 # 1. 生成示例据(100个样本,10个特征) set.seed(123) # 确保结果可重现 data <- matrix(rnorm(1000), ncol = 10) # 随机生成据矩阵 colnames(data) <- paste0("Feature", 1:10) # 添加特征名称 # 2. 据标准化(PCA关键步骤) data_scaled <- scale(data) # 3. 应用PCA pca_result <- prcomp(data_scaled, scale. = FALSE) # scale.=FALSE因据已标准化 # 4. 查看结果摘要 summary(pca_result) # 显示各主成分的方差解释比例 # 输出示例: # Importance of components: # PC1 PC2 ... # Standard deviation 1.0123 0.9912 ... # Proportion of Variance 0.1025 0.0982 ... # Cumulative Proportion 0.1025 0.2007 ... # 5. 提取后的据(例如前2个主成分) scores <- pca_result$x[, 1:2] # 选择前2个主成分 head(scores) # 查看据 # 6. 可视化:绘制前两个主成分的散点图 plot_data <- data.frame(PC1 = scores[,1], PC2 = scores[,2]) ggplot(plot_data, aes(x = PC1, y = PC2)) + geom_point(color = "blue", alpha = 0.6) + labs(title = "PCA结果(前两个主成分)", x = "第一主成分(PC1)", y = "第二主成分(PC2)") + theme_minimal() # 7. 分析载荷矩阵(可选:理解特征贡献) loadings <- pca_result$rotation[, 1:2] # 前两个主成分的载荷 print(loadings) # 值越大表示原始特征对主成分影响越大 ``` #### 关键输出解释 - **方差解释比例**:例如,`Cumulative Proportion`为0.8时,表示前k个主成分保留了80%的原始信息。学上,累计方差计算为: $$ \text{Cumulative Variance} = \sum_{i=1}^{k} \frac{\lambda_i}{\sum_{j=1}^{p} \lambda_j} $$ 其中 $\lambda_i$ 是第i个主成分的特征值[^2]。 - **载荷矩阵**:元素 $w_{ij}$ 表示第j个原始特征对第i个主成分的贡献,满足 $ \sum w_{ij}^2 = 1 $。 - **选择**:通常保留累计方差≥85%的主成分量,可通过`screeplot(pca_result, type = "lines")`绘制碎石图辅助决策[^3]。 #### 实际应用场景 - **人脸识别**:PCA用于提取特征脸(Eigenfaces),减少图像维度[^1][^4]。 - **据压缩**:如JPEG图像处理,通过保留主要成分低存储需求[^3]。 - **特征工程**:在机器学习前减少特征量,提升模型效率[^2]。
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