深入理解矩阵特征值

如何理解矩阵特征值的意义? 如何理解矩阵特征值的意义? 毕业多年,曾经有同事问我该如何理解特征值的意义? 当时,实在羞愧,我一学数学的,真不知该如何回答。 ...... 多年后有点感悟了,就当还愿吧,本文将从几何、医学、物理三个视角试图阐释:如何理解矩阵特征值的意义?希望能给在校大学生和毕业多年仍对此一头雾水的朋友一点启发。 阅读详情

一定要标注一下转载内容:http://www.zhihu.com/question/21874816

从线性空间的角度看,在一个定义了内积的线性空间里,对一个N阶可逆方阵进行特征分解,就是产生了该空间的N个标准正交基,然后把矩阵投影到这N个基上。N个特征向量就是N个标准正交基,而特征值的模则代表矩阵在每个基上的投影长度。

特征值越大,说明矩阵在对应的特征向量上的方差越大,功率越大,信息量越多。

应用到最优化中,意思就是对于R的二次型,自变量在这个方向上变化的时候,对函数值的影响最大,也就是该方向上的方向导数最大。
应用到数据挖掘中,意思就是最大特征值对应的特征向量方向上包含最多的信息量,如果某几个特征值很小,说明这几个方向信息量很小,可以用来降维,也就是删除小特征值对应方向的数据,只保留大特征值方向对应的数据,这样做以后数据量减小,但有用信息量变化不大。

很多领域应该都有自己的用途,LZ到了本科高年级或者研究生阶段用到的时候就明白了。

——————————————————举两个栗子——————————————————


应用1 二次型最优化问题

二次型 y=x^{T} Rx ,其中R是已知的二阶矩阵,R=[1,0.5;0.5,1],x是二维列向量,x=[x1;x2],求y的最小值。

求解很简单,讲一下这个问题与特征值的关系。
对R特征分解,特征向量是[-0.7071;0.7071]和[0.7071;0.7071],对应的特征值分别是0.5和1.5。
然后把y的等高线图画一下
从图中看,函数值变化最快的方向,也就是曲面最陡峭的方向,归一化以后是[0.7071;0.7071],嗯哼,这恰好是矩阵R的一个特征值,而且它对应的特征向量是最大的。因为这个问题是二阶的,只有两个特征向量,所以另一个特征向量方向就是曲面最平滑的方向。这一点在分析最优化算法收敛性能的时候需要用到。
二阶问题比较直观,当R阶数升高时,也是一样的道理。

应用2 数据降维

兴趣不大的可以跳过问题,直接看后面降维方法。
机器学习中的分类问题,给出178个葡萄酒样本,每个样本含有13个参数,比如酒精度、酸度、镁含量等,这些样本属于3个不同种类的葡萄酒。任务是提取3种葡萄酒的特征,以便下一次给出一个新的葡萄酒样本的时候,能根据已有数据判断出新样本是哪一种葡萄酒。
问题详细描述: UCI Machine Learning Repository: Wine Data Set
训练样本数据: archive.ics.uci.edu/ml/

原数据有13维,但这之中含有冗余,减少数据量最直接的方法就是降维。
做法:把数据集赋给一个178行13列的矩阵R,它的协方差矩阵 C=R^{T}R ,C是13行13列的矩阵,对C进行特征分解,对角化 C=UDU^{T} ,其中U是特征向量组成的矩阵,D是特征之组成的对角矩阵,并按由大到小排列。然后,另 R' =RU ,就实现了数据集在特征向量这组正交基上的投影。嗯,重点来了,R’中的数据列是按照对应特征值的大小排列的,后面的列对应小特征值,去掉以后对整个数据集的影响比较小。比如,现在我们直接去掉后面的7列,只保留前6列,就完成了降维。这个降维方法叫PCA(Principal Component Analysis)。
下面看结果:
这是不降维时候的分类错误率。
这是降维以后的分类错误率。

结论:降维以后分类错误率与不降维的方法相差无几,但需要处理的数据量减小了一半(不降维需要处理13维,降维后只需要处理6维)。
人工智能_机器学习101_特征值分解矩阵原理_线性代数之特征值和特征向量深入理解_利用特征值把矩阵分解成_特征向量乘以特征值---人工智能工作笔记0226 A= P^P-1 这里的P其实就是v特征向量对吧,就相当于A = lamada v /v 对吧,其实就是这个意思。所以通过这样的方式,就把矩阵B,相当于分解成了,特征值(对角矩阵) * 特征向量 了。np.eye(4) 去构建一个对角线上的全是1 的,初始化的4*4的,对角矩阵。这样就是上面我们说的特征值的定义,特征值,可以在特征向量方向上缩放矩阵.这里^对角矩阵,其实就是特征值,这个矩阵的对角有值,别的地方都是0。而样本数据,其实就是,一个个的矩阵,那么如果我们找到这些矩阵的。 阅读详情

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