数据挖掘之降维

自变量维度过多会给所有数据挖掘方法带来麻烦:(1)自变量过多会导致建模算法的运行速度慢。(2)自变量的维度增加时,过度拟合的可能性也会随之增大。(3)自变量维度越多,数据在整个输入空间的分布越稀疏,越难以获得对整个输入空间有代表性的样本。例如,如果只有一个均匀分布的二分自变量,那么1000个观测意味着平均每种取值对应于500个观测;但如果有10个均匀分布的二分自变量,总共有210=1024种取值,同样1000个观测却意味着平均而言每种取值对应于不到1个观测。

变量选择是降维的一类方法,它们从自变量中选出一部分放入建模数据集。下面按因变量的类型分别介绍一些简单的变量选择方法。

(一)一些简单的变量选择方法

1.因变量为二分变量(1)对于数值自变量而言,可以使用两样本t检验考察因变量取一种值时自变量的均值与因变量取另一种值时自变量的均值是否相等,然后选择那些检验结果显著(不相等)的自变量;(2)对于分类自变量而言,可以使用卡方检验考察自变量的取值是否独立于因变量的取值,然后选择那些检验结果显著(不独立)的自变量。

2.因变量为分类变量当因变量为分类变量时,可以将其取值两两配对,针对每对取值进行上述t检验或者卡方检验,然后选择那些对因变量的任何一对取值检验结果显著的自变量。

3.因变量为数值变量当因变量为数值变量时,可以将因变量离散化后(例如,使用因变量的中位数将数据分为两组)再使用上面的方法,或者使用如下方法:

(1)计算各数值自变量与因变量的相关系数,剔除相关系数小或不显著的变量。

(2)对每个分类自变量,将其取值两两配对,针对每对取值使用t检验考察因变量的均值是否相等,只要对任何一对取值检验结果显著,就选择该自变量。

(二)逐步选择

逐步选择也是一类常用的变量选择方法,逐步回归就是它的一个特例。首先,使用以下三种方法之一逐步建立一系列的模型,在这一过程中使用的数据集都是训练数据集。

1.向前选择(forwardselection)从不含有任何自变量的零模型开始,逐个从模型外选择最能帮助预测因变量的自变量加入模型,直至模型外的任何一个自变量对于预测因变量的贡献值都低于某个临界值,或者模型中已经包含所有的自变量;2.向后剔除(backwardelimination)从含有所有自变量的全模型开始,逐个从模型中剔除对预测因变量贡献最小的自变量,直至模型内的任何一个自变量对于预测因变量的贡献值都高于某个临界值,或者模型中不含有任何自变量;3.向前选择与向后剔除的结合这是对以上两种方法的修正,从零模型开始,每次给模型添加一个新的自变量后,就对模型中所有自变量进行一次向后剔除的检查,直至所有已经在模型中的自变量都不能被剔除,并且所有在模型外的自变量都不能被添加。

每次添加或剔除一个自变量都得到一个新的模型,这样可获得一系列模型。根据训练数据集计算AIC、BIC等统计准则的值,或者根据修正数据集评估预测效果,可从这一系列模型中选择最优的模型。

<think>好的,我现在需要帮助用户了解数据挖掘中常用的算法,特别是PCA、t-SNE和LDA的理论与应用。首先,我应该回顾一下这些算法的基本原理,然后比较它们的优缺点,最后讨论它们的应用场景。 首先,主成分分析(PCA)。PCA是一种线性方法,通过正交变换将数据投影到低空间,保留最大方差。它的核心是协方差矩阵的特征值分解。用户可能想知道PCA的数学原理,比如如何计算主成分,以及为什么保留最大方差能有效。同时,需要提到PCA的应用,比如图像处理、数据可视化等,并且要指出它的局限性,比如无法处理非线性结构。 接下来是t-SNE,这是一种非线性方法,特别适合高数据的可视化。它通过保持数据点之间的局部相似性来将数据映射到低空间,通常用于可视化,比如在MNIST数据集中的应用。这里需要解释t-SNE的概率模型,包括计算高和低空间的条件概率,以及KL散度的最小化。同时,要提到它的计算复杂度高,不适合大规模数据,且结果受超参数影响较大。 然后是线性判别分析(LDA),这是一种监督学习算法,不仅还考虑类别信息,最大化类间距离,最小化类内距离。LDA的目标是找到一个投影方向,使得不同类别的数据尽可能分开,同一类别的数据尽可能聚集。应用场景包括人脸识别、生物分类等。需要说明LDA与PCA的区别,前者关注分类能力,后者关注方差。 接下来,需要比较这三种算法。比如,PCA是无监督的,适合去除冗余特征;t-SNE适合可视化但计算量大;LDA是有监督的,提升分类性能。用户可能想知道在实际项目中如何选择这些算法,所以需要给出应用场景的例子。 在引用方面,引文[2]提到了PCA的原理,引文[1]和[3]讨论了t-SNE的应用和相似性计算,引文[4]可能展示了后的数据结果。需要正确地将这些引用融入到回答中,支持各个算法的描述。 用户的问题可能还包括如何选择算法,参数调优,或者与其他算法如LLE的比较。不过根据用户的问题,重点在理论与应用,所以需要覆盖这些方面,并生成相关问题供进一步学习。 需要确保回答结构清晰,分点讲解每个算法,再进行比较和应用举例。同时,注意使用正确的中文术语和LaTeX格式的数学公式,如协方差矩阵$C = \frac{1}{n}X^TX$,KL散度公式等。 最后,生成的相关问题应围绕这些算法的细节、比较、优化和应用,帮助用户深入理解。</think>### 数据挖掘中常用算法:PCA、t-SNE、LDA理论与应用 #### 一、主成分分析(PCA) **理论** PCA是一种**线性无监督方法**,通过正交变换将原始数据投影到低空间,保留最大方差的方向(主成分)。其数学核心是协方差矩阵的特征值分解: $$C = \frac{1}{n}X^TX$$ 其中$X$为中心化后的数据矩阵,$C$的**特征向量**对应主成分方向,**特征值**表示各方向的方差贡献度[^2]。 **应用** - **数据压缩**:去除冗余特征,如人脸识别中的特征提取。 - **可视化**:将高数据映射到2D/3D空间(需配合其他可视化工具)。 - **去噪**:通过舍弃低方差成分消除噪声。 #### 二、t-分布随机邻域嵌入(t-SNE) **理论** t-SNE是一种**非线性无监督算法**,通过保持高与低空间中数据点的**局部相似性**实现。其核心步骤如下: 1. 计算高空间的条件概率$p_{j|i}$: $$p_{j|i} = \frac{\exp(-||x_i - x_j||^2 / 2\sigma_i^2)}{\sum_{k \neq i}\exp(-||x_i - x_k||^2 / 2\sigma_i^2)}$$ 2. 在低空间构造相似度$q_{ij}$: $$q_{ij} = \frac{(1 + ||y_i - y_j||^2)^{-1}}{\sum_{k \neq l}(1 + ||y_k - y_l||^2)^{-1}}$$ 3. 最小化KL散度损失函数: $$L = \sum_{i \neq j} p_{ij} \log \frac{p_{ij}}{q_{ij}}$$ 算法擅长捕捉局部结构,但计算复杂度高且结果受超参数(如困惑度)影响[^3]。 **应用** - **高数据可视化**:如基因表达数据、MNIST手写数字的可视化[^1]。 - **探索性数据分析**:发现数据中的聚类或异常模式。 #### 三、线性判别分析(LDA) **理论** LDA是一种**线性有监督方法**,目标是最大化类间散度$S_B$与类内散度$S_W$的比值: $$\max_W \frac{\text{tr}(W^T S_B W)}{\text{tr}(W^T S_W W)}$$ 通过求解广义特征值问题$S_B W = \lambda S_W W$得到投影矩阵$W$,确保同类数据聚集、异类数据分离。 **应用** - **分类任务预处理**:如语音识别中的特征。 - **多类别数据可视化**:在保留类别信息的前提下投影到低空间。 #### 四、算法对比 | 算法 | 监督性 | 目标 | 优点 | 缺点 | |--------|--------|--------------------------|-----------------------|-----------------------| | PCA | 无监督 | 最大化方差 | 计算高效,可解释性强 | 无法捕捉非线性结构 | | t-SNE | 无监督 | 保持局部相似性 | 可视化效果优异 | 计算复杂度高 | | LDA | 有监督 | 最大化类别可分性 | 提升分类性能 | 依赖类别标签 | #### 五、应用场景选择 - **高数据快速** → PCA - **探索性数据可视化** → t-SNE[^1] - **分类任务特征提取** → LDA ---
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