PCA（Principal Component Analysis）_怎么将原始数据变到特征空间-优快云博客

PCA通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关的表示，可用于提取数据的主要特征分量，常用于高维数据的降维。

PCA算法是如何实现的？

简单来说，就是将数据从原始的空间中转换到新的特征空间中，例如原始的空间是三维的(x,y,z)，x、y、z分别是原始空间的三个基，我们可以通过某种方法，用新的坐标系(a,b,c)来表示原始的数据，那么a、b、c就是新的基，它们组成新的特征空间。在新的特征空间中，可能所有的数据在c上的投影都接近于0，即可以忽略，那么我们就可以直接用(a,b)来表示数据，这样数据就从三维的 $(x,y,z)$ 降到了二维的(a,b)。

问题是如何求新的基(a,b,c)?

一般步骤是这样的：先对原始数据零均值化，然后求协方差矩阵，接着对协方差矩阵求特征向量和特征值，这些特征向量组成了新的特征空间。具体的细节，推荐Andrew Ng的网页教程：Ufldl 主成分分析，写得很详细。

PCA本质上是将方差最大的方向作为主要特征，并且在各个正交方向上将数据“离相关”，也就是让它们在不同正交方向上没有相关性。

python算法实现

零均值化（特征中心化）

假如原始数据集为矩阵data_mat，data_mat中每一行代表一个样本，每一列代表同一个特征。零均值化就是求每一列的平均值，然后该列上的所有数都减去这个均值。也就是说，这里零均值化是对每一个特征而言的，零均值化都，每个特征的均值变成0。实现代码如下：

def zero_mean(data_mat):
    mean_val = np.mean(data_mat,axis=0)     #按列求均值，即求各个特征的均值
    data = data_mat-mean_val
    return data, mean_val

函数中用numpy中的mean方法来求均值，axis=0表示按列求均值。
该函数返回两个变量，data是零均值化后的数据，mean_val是每个特征的均值，是给后面重构数据用的。

求协方差矩阵

data, mean_val = zero_mean(data_mat)
cov_mat = np.cov(data,rowvar=False)

numpy中的cov函数用于求协方差矩阵，cov_mat即所求的协方差矩阵。

求特征值、特征向量

调用numpy中的线性代数模块linalg中的eig函数，可以直接由cov_mat求得特征值和特征向量：

eig_vals, eig_vects=np.linalg.eig(np.mat(cov_mat))

eig_vals存放特征值，行向量。
eig_vects存放特征向量，每一列带别一个特征向量。
特征值和特征向量是一一对应的

保留主要的成分[即保留值比较大的前n个特征]

第三步得到了特征值向量eig_vals，假设里面有m个特征值，我们可以对其排序，排在前面的n个特征值所对应的特征向量就是我们要保留的，它们组成了新的特征空间的一组基n_eig_vect。将零均值化后的数据乘以n_eig_vect就可以得到降维后的数据。代码如下：

eig_val_indice = np.argsort(eig_vals)            # 对特征值从小到大排序

n_eig_val_indice = eig_val_indice[-1:-(n_components+1):-1]        #最大的n_components个特征值的下标

n_eig_vect = eig_vects[:,n_eig_val_indice]        #最大的n个特征值对应的特征向量

lowD_data_mat = data * n_eig_vect                 # 低维特征空间的数据

recon_mat =(lowD_data_mat * n_eig_vect.T) + mean_val  #重构数据