线性代数基本公式结论简要总结(4)

本文回顾了矩阵特征值、特征向量的概念及其在数据降维中的应用,并介绍了矩阵对角化、正交投影、施密特正交化、QR分解等线性代数中的关键概念。

本文复习矩阵的特征值、特征向量、对角化、正交性(投影、施密特正交化、QR分解、内积空间)等内容。

特征值和特征向量:
def:A为n×n矩阵,x为非零向量,若存在数λ\lambdaλ使Ax=λxAx=\lambda xAx=λx成立,则称λ\lambdaλ为A的特征值,x称为对应于λ\lambdaλ的特征向量。

矩阵的特征值表征了矩阵的一些很重要的特征,特征值越大,说明其涵盖了矩阵越多的信息。 PCA就是通过筛掉较小的特征值,留下较大特征值实现的数据降维。

根据定义,特征向量必须非零,特征值可以为0。且可以得到特征方程如下:
(A−λI)x=0(A-\lambda I)x=0(AλI)x=0
据此可知A−λIA-\lambda IAλI为奇异矩阵,即det(A−λI)=0det(A-\lambda I)=0det(AλI)=0,进而可以计算一个方阵A的特征值,然后将特征值逐一代入特征方程中,求解齐次线性方程,得到该特征值对应的特征向量。若根据同一个特征值得到了k个线性无关的特征向量,则称该特征值为k重特征值

几何意义:
考虑Ax=λxAx=\lambda xAx=λx,一个方阵A(n×n)乘以一个RnR^nRn空间中的向量x,相当于对向量x做了一个变换,其特点是:变换前后向量x的方向不变,大小(长度)扩大了λ\lambdaλ倍,且仍然在RnR^nRn空间中。

即:对于给定的矩阵A,满足上述特点的向量x称作A的特征向量,x扩大的倍数称作A的特征值λ\lambdaλ

这一点可以类比信号与系统中关于线性时不变系统特征函数(指数函数)的介绍:一个LTI系统作用于一个输入,当且仅当该输入信号为指数函数形式时,输出响应与输入激励形式相同,幅度扩大常数倍,称这样的函数为LTI的特征函数,扩大的系数为特征值。

性质:
1.三角矩阵的主对角线的元素即为其特征值
2.矩阵相异特征值对应的特征向量集合线性无关
3.对于矩阵An×nA_{n×n}An×n,其n个特征值{λ1,λ2...λn\lambda_1,\lambda_2...\lambda_nλ1,λ2...λn}加和等于矩阵AAA的迹,乘积等于A的行列式:
∑i=1nλi=tr(A)\sum_{i=1}^{n}\lambda_i=tr(A)i=1nλi=tr(A)
∏i=1nλi=det(A)\prod_{i=1}^{n}\lambda_i=det(A)i=1nλi=det(A) 

4.数λ\lambdaλ是n×n矩阵A特征值的充要条件λ\lambdaλ是特征方程det(A−λI)=0det(A-\lambda I)=0det(AλI)=0的根
5.det(A−λI)det(A-\lambda I)det(AλI)是n次多项式,称为A的特征多项式
6.对于实对称矩阵,其不同特征值对应的特征向量两两正交(可作为空间中的一组正交基)
7.若实矩阵是对称或近似对称的,其特征值均为实数;若矩阵是反对称(对应位置互为相反数)的,特征值均为纯虚数
8.只有方阵才有特征值

相似矩阵:
设A、B是n×n矩阵,如果存在可逆矩阵P,使得P−1AP=BP^{-1}AP=BP1AP=B,则称A相似于B,把A变成P−1APP^{-1}APP1AP的变换称为相似变换

对角化:
n×n矩阵A可对角化的充要条件是A有n个线性无关的特征向量

即A对角化充要条件是A有足够的特征向量可以形成RnR^nRn的基,我们称这样的基为特征向量基。矩阵对角化形式如下:
A=PΛP−1A=P\Lambda P^{-1}A=PΛP1
Λ\LambdaΛ为对角线上元素均为A的特征值的对角矩阵,P的各列均为Λ\LambdaΛ中对应特征值的特征向量

容易得出如下结论:
1.有n个相异特征值的n×n矩阵可对角化
2.设A为对称矩阵,对角化有:
A=QΛQ−1=QΛQTA=Q\Lambda Q^{-1}=Q\Lambda Q^TA=QΛQ1=QΛQT
矩阵Q为正交矩阵(QT=Q−1Q^T=Q^{-1}QT=Q1),上式有时还称为谱定理

当然,对于存在多重(大于1重)特征值的矩阵,当且仅当各个多重特征值所对应的特征向量之间线性无关时,该矩阵可以对角化

观察到矩阵对角化具有的特殊形式,考虑对矩阵做幂运算有:
Ak=PΛkP−1A^k=P\Lambda^k P^{-1}Ak=PΛkP1

据此可以方便地计算一个矩阵的方幂AkA^kAk,而且可得到如下结论:
1.若矩阵AAA的特征值为一系列λ\lambdaλ,则矩阵AkA^kAk的特征值为一系列λk\lambda^kλk,但其特征向量不变(由几何意义易得:方向不变)
2.对于一个矩阵A,如果当k趋于无穷时,AkA^kAk趋近于零矩阵,则称A是稳定的(此时一定满足条件:A的所有特征值的绝对值小于1)

正交性:
向量的长度定义为向量的二范数,向量长度也称范数

长度为1的向量称为单位向量,一个非零向量除以自身的长度可以得到单位化的向量,这个过程称为向量的单位化

空间距离的定义:
def:RnR^nRn中向量u和v的距离,记作dist(u,v)dist(u,v)dist(u,v),表示向量u-v的长度,即
dist(u,v)=∣∣u−v∣∣dist(u,v)=||u-v||dist(u,v)=uv

正交向量:
如果两个向量u和v满足uv=0uv=0uv=0,则向量u和v正交
两个向量正交u,v的充要条件是∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v2∣∣||u+v||^2=||u||^2+||v^2||u+v2=u2+v2

正交补:
若向量z与RnR^nRn的子空间W中的任意向量均正交,则称z正交于W
与子空间W正交的所有向量z的集合称为W的正交补,记作W⊥W^\botW,它也是RnR^nRn的一个子空间

向量的夹角和相关系数:
空间中的两个向量u和v 有内积表达式:
uv=∣∣u∣∣∣∣v∣∣cosθuv=||u||||v||cos\thetauv=uvcosθ
其中的θ\thetaθ称作两个向量的夹角,也称作它们的相关系数

正交投影:
考虑在一个n维空间中,一个向量y在一组正交基uuu={u1,u2...unu_1,u_2...u_nu1,u2...un}上的投影:
projLy=y∗uu∗u∗uproj_Ly=\frac{y*u}{u*u}*uprojLy=uuyuu
我们称上式中的projLyproj_LyprojLy为y在u上的正交投影,上式也称为正交分解定理。类似地,空间中任一向量y在子空间W上的正交投影projWyproj_WyprojWy是子空间W中最接近y的点,这被称为最佳逼近定理

Py=uPy=uPy=u
上式P称为投影矩阵,相当于对向量y做的一个直接的变换,称为与u同方向的一个投影,投影矩阵有如下性质:
PT=PP^T=PPT=P
P2=PP^2=PP2=P
考虑三维及以上情况的投影,将向量u投影到子空间W上,正交投影p=Ax,x为子空间中的一组正交基,且有投影矩阵产生的变换:Pu=pPu=pPu=p,同理可得投影矩阵P的通式
P=A(ATA)−1ATP=A(A^TA)^{-1}A^TP=A(ATA)1AT

一个显然的定理:一个m×n矩阵U具有单位正交列向量的充要条件是UTU=IU^TU=IUTU=I。这定义了正交矩阵的基本性质

正交投影可类比与空间中力的分解,很好理解

施密特(Gram-Schmidt)正交化:
施密特方法是对RnR^nRn空间中任何非零子空间,构造正交基后标准正交基的一个简单算法,该算法的思想基于刚刚提到的正交投影:不失一般性,考虑二维平面上的给定的两个非正交的向量u、v,先计算出向量u相对于v的正交投影proj,向量u与该投影相减即为和v正交的向量,然后对二者单位化即可得到标准正交基。算法流程如下:
对于RnR^nRn中子空间的一个基{x1,x2,...,xpx_1,x_2,...,x_px1,x2,...,xp},定义:
v1=x1v_1=x_1v1=x1
v2=x2−x2v1v1v1v1v_2=x_2-\frac{x_2v_1}{v_1v_1}v_1v2=x2v1v1x2v1v1
v3=x3−x3v1v1v1v1−x3v2v2v2v2v_3=x_3-\frac{x_3v_1}{v_1v_1}v_1-\frac{x_3v_2}{v_2v_2}v_2v3=x3v1v1x3v1v1v2v2x3v2v2

vp=xp−xpv1v1v1v1−xpv2v2v2v2−...−xpvp−1vp−1vp−1vp−1v_p=x_p-\frac{x_pv_1}{v_1v_1}v_1-\frac{x_pv_2}{v_2v_2}v_2-...-\frac{x_pv_{p-1}}{v_{p-1}v_{p-1}}v_{p-1}vp=xpv1v1xpv1v1v2v2xpv2v2...vp1vp1xpvp1vp1
那么{v1...vpv_1...v_pv1...vp}是W的一个正交基,将其标准化后得到W的一组标准正交基

标准正交基即为一个正交基中每个向量的单位化(除以自身的二范数)

QR分解:
若m×n矩阵A的列线性无关,则A可分解为A=QRA=QRA=QR,其中Q是一个m×n矩阵,其列形成ColA的一个标准正交基**,R是一个n×n的上三角可逆矩阵,且对角线上的元素为正数。证明如下:

由于A=[x1,x2,...xn]A=[x_1,x_2,...x_n]A=[x1,x2,...xn],利用施密特正交化可以得到有一组标准正交基组成的列向量矩阵Q=[u1,u2,...un]Q=[u_1,u_2,...u_n]Q=[u1,u2,...un],且满足:
对任意xkx_kxk属于Span{u1,...uku_1,...u_ku1,...uk},存在常数{r1k,r2k,...rkkr_{1k},r_{2k},...r_{kk}r1k,r2k,...rkk}使得:
xk=r1ku1+...+rkkuk+0uk+1+...+0unx_k=r_{1k}u_1+...+r_{kk}u_k+0u_{k+1}+...+0u_nxk=r1ku1+...+rkkuk+0uk+1+...+0un
即:xk=Qrkx_k=Qr_kxk=Qrk,其中rk=[r1k,...rkk,0,...,0]r_k=[r_{1k},...r_{kk},0,...,0]rk=[r1k,...rkk,0,...,0],取R=[r1,r2,...rn]R=[r_1,r_2,...r_n]R=[r1,r2,...rn],则有:
A=QRA=QRA=QR

计算:对于给定矩阵A,首先利用施密特正交化计算出标准正交矩阵Q,然后由R=Q−1AR=Q^{-1}AR=Q1A可得上三角矩阵R

最小二乘问题:
针对一个不相容的方程组:Ax=bAx=bAx=b,利用投影中最佳逼近定理找到一个使得∣∣Ax−b∣∣||Ax-b||Axb最小的解x,称为最小二乘解,由如下定理得到:
一个定理:方程Ax=bAx=bAx=b的最小二乘解集和法方程ATAx=ATbA^TAx=A^TbATAx=ATb的非空解集一致
显然,该法方程解集为:(当然,也可以先将A做QR分解然后再计算)
x=(ATA)−1ATbx=(A^TA)^{-1}A^Tbx=(ATA)1ATb
可以注意到,该解的形式和统计中常用的线性回归算法的解相同,因为求解线性回归问题的一个简单优化方法正是计算其不相容线性方程组的最小二乘解(当然现在更多的使用梯度下降)

内积空间:
向量空间V上的内积是一个函数,对每一对属于V的向量u和v,存在一个实数&lt;u,v&gt;&lt;u,v&gt;<u,v>满足下面公理,对任意属于V的u,v,w和所有数c:
1.&lt;u,v&gt;=&lt;v,u&gt;&lt;u,v&gt;=&lt;v,u&gt;<u,v>=<v,u>
2.&lt;u+v,w&gt;=&lt;u,w&gt;+&lt;v,w&gt;&lt;u+v,w&gt;=&lt;u,w&gt;+&lt;v,w&gt;<u+v,w>=<u,w>+<v,w>
3.&lt;cu,v&gt;=c&lt;u,v&gt;&lt;cu,v&gt;=c&lt;u,v&gt;<cu,v>=c<u,v>
4.&lt;u,u&gt;&lt;u,u&gt;<u,u> >=0且&lt;u,u&gt;=0&lt;u,u&gt;=0<u,u>=0的充要条件是u=0
一个赋予上面内积的向量空间成为内积空间

有以下两个不等式:
1.∣&lt;u,v&gt;∣|&lt;u,v&gt;|<u,v><=∣∣u∣∣∣∣v∣∣||u|| ||v||uv(柯西-施瓦茨不等式)
2.∣∣u+v∣∣||u+v||u+v<=∣∣u∣∣+∣∣v∣∣||u||+||v||u+v (三角不等式)
函数的内积是定义在某个区间上的函数乘积的积分

<think>首先,用户的问题是关于主成分分析(PCA)在遥感数据图像中的应用,特别是针对7个波段的线性组合问题。用户提到了“7个波段的线性组合”,这暗示了在PCA中,如何将多个波段(这里是7个)组合成主成分。从系统级指令中,我有几个关键点:-所有行内数学表达式必须使用$...$格式。-独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。-使用中文回答。-生成相关问题。-在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如[^1]。-回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。-参考站内引用:这些引用是关于PCA在遥感图像处理中的应用,包括傅里叶变换、主成分分析、代数运算等。引用[1]到[5]提供了背景信息,如PCA用于降维、波段线性合成、主成分的解释等。用户的具体查询:"我想了解主成分分析在遥感数据图像中的应用,特别是7个波段的线性组合问题请问主成分分析PCA遥感数据7个波段线性组合"所以,我需要构建一个清晰的回答:1.**介绍PCA**:简要解释什么是主成分分析。2.**应用于遥感数据**:解释PCA在遥感图像处理中的作用,特别是针对多波段数据。3.**7个波段的线性组合**:详细说明如何通过PCA将7个波段线性组合成主成分。4.**数学基础**:使用数学表达式来描述线性组合。5.**实际应用**:讨论优点、缺点、评价指标等。6.**生成相关问题**:在最后添加相关问题部分。从引用中提取关键信息:-引用[1]:主成分波段是原始波段的线性合成,互不相关;第一主成分方差最大,依次递减。-引用[2]:每个主成分代表不同的地表属性;前几个主成分包含大部分方差。-引用[3]:PCA用于降维,提取主要光谱信息用于图像融合。-引用[4]:PCA通过正交基向量投影到低维空间,去除冗余。-引用[5]:PCA用于高光谱和多波段影像融合,评价指标如熵值、相关系数等。回答结构:-**引言**:概述PCA在遥感中的应用。-**PCA原理**:解释PCA的基本概念。-**7个波段的PCA**:具体到7波段数据。-**数学表达式**:使用LaTeX格式。-**优点和缺点**:讨论在遥感中的好处和限制。-**应用示例**:简要提及图像融合等。-**结论**:总结。-**相关问题**:生成3-5个相关问题。数学部分:-PCA涉及协方差矩阵、特征值和特征向量。-线性组合:对于一个有p个变量(波段)的数据集,主成分是这些变量的线性组合。-公式:设原始数据有n个样本和p个波段(p=7),数据矩阵X(nxp)。-协方差矩阵C=(1/(n-1))*X^TX(假设均值中心化)。-特征分解:Cv=λv,其中v是特征向量,λ是特征值。-主成分:Y=Xv,其中v是特征向量矩阵。针对7波段:-原始波段:B1,B2,...,B7。-第一主成分:PC1=w1*B1+w2*B2+...+w7*B7,其中w是权重(特征向量的元素)。-类似地,其他PC。在回答中:-行内数学:例如,$PC1=w_{11}B_1+w_{12}B_2+\cdots+w_{17}B_7$-独立公式:例如,协方差矩阵的定义。引用添加:在相关段落末尾添加引用标识,如[^1]。相关问题生成:基于主题,如:1.PCA在遥感中如何处理噪声?2.如何选择保留的主成分数量?3.PCA与其他降维方法比较?4.实际代码实现(如MATLAB或Python)?5.评价融合效果的标准?确保回答真实可靠:基于标准PCA理论和引用信息。</think>### 主成分分析在遥感数据图像中的应用:7个波段的线性组合问题 主成分分析(PCA)是一种常用的降维技术,广泛应用于遥感图像处理中,尤其在处理多波段数据时能有效提取关键信息、去除冗余和噪声。在遥感场景中,数据通常包含多个波段(如7个波段),每个波段捕捉不同的地表特征(如植被、水体、土壤等)。PCA通过线性组合这些原始波段,生成一组互不相关的主成分(PC),其中前几个主成分包含绝大部分信息,便于后续分析(如分类、融合或可视化)。下面我将逐步解释PCA在7波段遥感数据中的应用,包括原理、线性组合机制、优点和实际考量。 #### 1. **PCA的基本原理** PCA的核心是将高维数据投影到低维空间,保留最大方差的方向。假设我们有7个波段的遥感数据,每个波段是一个变量。PCA通过以下步骤实现: - **数据标准化**:首先对每个波段进行均值中心化(减去均值)和标准化(除以标准差),以确保不同波段在相同尺度上比较。 - **计算协方差矩阵**:对于7个波段的数据矩阵$X$(维度$n \times 7$,其中$n$是像素数),协方差矩阵$C$捕获波段间的相关性: $$ C = \frac{1}{n-1} X^T X $$ 这里,$C$是一个$7 \times 7$的对称矩阵,对角线元素表示每个波段的方差,非对角线元素表示波段间的协方差[^4]。 - **特征分解**:对$C$进行特征分解,得到特征值$\lambda_i$和对应的特征向量$\mathbf{v}_i$: $$ C \mathbf{v}_i = \lambda_i \mathbf{v}_i $$ 特征值$\lambda_i$表示主成分的方差大小,特征向量$\mathbf{v}_i$定义了线性组合的权重。 - **生成主成分**:主成分是原始波段的线性组合。对于第$k$个主成分$PC_k$: $$ PC_k = v_{k1} B_1 + v_{k2} B_2 + \cdots + v_{k7} B_7 $$ 其中$B_1$到$B_7$是原始7个波段,$v_{kj}$是特征向量的元素(权重)。主成分按方差降序排列:$PC_1$方差最大,$PC_2$次之,依此类推[^1][^4]。 #### 2. **7个波段的线性组合机制** 在7波段遥感数据中,PCA的线性组合过程具体化如下: - **权重确定**:特征向量$\mathbf{v}_k$的元素$v_{kj}$表示每个波段对$PC_k$的贡献。例如,第一主成分$PC_1$的表达式为: $$ PC_1 = v_{11} B_1 + v_{12} B_2 + v_{13} B_3 + v_{14} B_4 + v_{15} B_5 + v_{16} B_6 + v_{17} B_7 $$ 权重$v_{kj}$通过优化最大化$PC_k$的方差获得,确保$PC_k$之间互不相关(即协方差为零)[^2][^4]。 - **方差解释**:在7波段数据中: - $PC_1$通常包含最大方差(例如60-80%),代表数据的主要变化方向,如整体亮度或主要地表特征。 - $PC_2$到$PC_3$可能包含剩余方差,对应次要特征(如纹理或阴影)。 - $PC_6$和$PC_7$方差最小(常低于5%),主要包含噪声或冗余信息,可安全去除以降低维度[^1][^5]。 - **实际示例**:在遥感图像中,如果波段间高度相关(如近红外和红波段常相关),PCA会将它们组合到同一主成分中。例如,$PC_1$的权重可能较大地强调植被相关波段,而$PC_2$强调水体或土壤特征[^2]。 #### 3. **在遥感图像中的应用优势** PCA在7波段数据中的应用带来多重好处: - **降维与去噪**:通过保留前2-3个主成分(而非全部7个),数据维度显著降低,计算效率提高。同时,噪声主导的$PC_6$和$PC_7$被去除,提升图像质量[^1][^4]。 - **增强可视化**:主成分互不相关,可用于生成更丰富的彩色合成图像(如用$PC_1$、$PC_2$、$PC_3$对应RGB通道),突出地表细节[^1][^3]。 - **支持图像融合**:PCA常用于多光谱(如7波段)与全色图像的融合。例如,提取多光谱数据的主成分,并将高分辨率的全色图像注入到第一主成分中,以保留光谱信息同时提升空间分辨率[^3][^5]。 - **地学解释**:每个主成分可解释为特定地表属性。例如,在农业遥感中,$PC_1$可能代表植被覆盖,$PC_2$代表土壤湿度,帮助用户快速识别特征[^2]。 #### 4. **实际考量和限制** - **保留主成分数**:一般基于累计方差贡献率选择。例如,如果前3个主成分累计方差超过85%,则可丢弃后4个[^4]。评价指标包括信息熵(衡量信息量)和光谱扭曲度(评估融合后失真)[^5]。 - **局限性**:PCA假设线性关系,可能无法处理非线性波段交互。此外,权重$v_{kj}$依赖于数据分布,不同场景(如城市vs.森林)结果可能不同。实践中需结合领域知识解释主成分[^2][^5]。 - **实现工具**:常用MATLAB或Python(如scikit-learn)实现。例如MATLAB代码: ```matlab % 假设data是n×7的波段矩阵 [coeff, score, latent] = pca(data); % coeff为特征向量(权重矩阵) PC = data * coeff; % 生成主成分 ``` #### 5. **总结** 在遥感图像处理中,PCA通过线性组合7个原始波段,生成互不相关的主成分,有效实现降维、去噪和信息提取。前几个主成分(如$PC_1$和$PC_2$)携带大部分有用信息,便于后续分析和应用。然而,PCA的效果受数据质量和波段相关性影响,需结合具体场景优化[^1][^4][^5]。
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