线性代数基本公式结论简要总结(5)

本文总结对称矩阵、二次型和奇异值分解等内容。

由于对称矩阵具有许多良好的性质,工程上被广泛应用。二次型和奇异值分解也是由对称矩阵具有的特殊性质推广得到的

首先不要忘了之前讲特征值时提到的对角化公式:
A=PDP1A=PDP−1
A具有n个线性无关的特征值,P的列空间由A的特征向量构成,D是对角线元素为A的特征值的对角矩阵

若A为对称矩阵,则其不同特征空间中(一个特征值对应的所有特征向量构成的子空间)的任意两个向量正交,即P为正交矩阵

一个方阵A可正交对角化的充要条件:A是对称矩阵

对称矩阵的谱定理:
矩阵A的特征值的集合称为A的谱。若A为n*n对称矩阵,有:
1.A有n个实数特征值(包括重复的特征值)
2.对每一个特征值,对应的特征子空间的维数等于λλ作为特征方程的根的重数
3.特征空间相互正交
4.A可正交对角化

因此对于对称矩阵,有一下有趣形式的谱分解:
A=PDPT=[λ1u1...λnun][uT1...uTn]TA=PDPT=[λ1u1...λnun][u1T...unT]T
A=λ1u1uT1+...+λnunuTnA=λ1u1u1T+...+λnununT
即A可分解为由A的特征值作为权重的各个小部分,显然,对于λλ值较小的部分,可以适当忽略,只留下一些较大特征值的加权和,而不影响原矩阵整体的特征表达

二次型:
RnRn上的一个二次型是一个定义在RnRn上的函数,它在向量x处的值可以由表达式Q(x)=xTAxQ(x)=xTAx计算,此处A是一个n阶对称矩阵,且矩阵A成为关于二次型的矩阵

可以看到,如果矩阵A是对角矩阵,则多项式Q(x)没有交叉项,否则有交叉项。这时我们想要通过适当的变量代换消去所有的交叉项

二次型的变量代换:
如果x表示RnRn中的向量变量,则变量代换是如下形式的等式:
x=Pyx=Pyy=P1xy=P−1x
其中P是可逆矩阵且y是RnRn中的一个新变量,P的列可以确定RnRn的一个基,y是相对于该基向量x的坐标向量。将上述等式带入原式,有:
xTAx=yT(PTAP)yxTAx=yT(PTAP)y
从而新的二次型矩阵为PTAPPTAP,由于A是对称矩阵,因此存在正交矩阵P,使得PTAPPTAP为对角矩阵D(对角元素为A的特征值):
xTAx=yTDyxTAx=yTDy
这样一来,就消除了原来多项式中的交叉项

上述去除交叉项的变换中,矩阵P的列称为二次型xTAxxTAx主轴,向量y是向量x在由这些主轴构造的RnRn空间的单位正交基下的坐标向量

主轴的几何意义:
不失一般性,考虑矩阵A为2阶对称方阵,c为常数,则所有对应下式的x的集合,对应一个椭圆或圆、双曲线、两条相交直线或单个点、或为空集:
xTAx=cxTAx=c
xTAx=yTDyxTAx=yTDy 的变换相当于是对曲线做了旋转,即旋转了原始的水平和竖直坐标轴

二次型的分类:
def:一个二次型Q是:
1.正定的:对所有非零x,有Q(x)>0
2.负定的:对所有非零x,有Q(x)<0
3.不定的:Q(x)正负值均存在

A为n阶矩阵,则二次型对应特征值有:
1.正定:当且仅当A的所有特征值均为正数
2.负定:当且仅当A的所有特征值均为负数
3.不定:当且仅当A既有正特征值,又有负特征值

相应的矩阵分为:正定矩阵、负定矩阵、不定矩阵

奇异值分解:
考虑到并不是所有矩阵都能对角化分解为:A=PDP1A=PDP−1,但是,所有矩阵都可以分解为如下形式,也就是奇异值分解:
A=QDP1A=QDP−1
其中D是”对角矩阵“。它是线性代数中最有用的矩阵分解

一个mn矩阵的奇异值
设A是mn矩阵,则ATAATA是对称矩阵且可以正交对角化,令{v1,...vnv1,...vn}为RnRn单位正交基且构成ATAATA的特征向量,{λ1...λnλ1...λn}是AATAAT对应的特征值,则有:

||Avi||2=(Avi)TAvi=vTiATAvi=vTi(λivi)=λi||Avi||2=(Avi)TAvi=viTATAvi=viT(λivi)=λi

可见ATAATA的所有特征值均非负,不妨将其从大到小排序。则A的奇异值为ATAATA的特征值的平方根,记为σ1,...,σnσ1,...,σn,且按递减顺序排列,因此A的奇异值即为向量Av1,Av2,...AvnAv1,Av2,...Avn的长度

在数值计算中,A的秩往往对A中元素的微小变化很敏感,为此在计算矩阵的时,通常采用计算非零奇异值的个数的方法得到秩的值

SVD分解:
矩阵A的分解涉及一个m*n的“对角矩阵”Σ,形式如下:
Σ=Σ=

几何意义:
我们知道,一个向量被一个对角矩阵左乘,相当于在原空间中做了水平和竖直两方向的拉伸,被一个对称矩阵左乘,相当于在原空间中先做了绕原点的旋转,然后再做了沿两个坐标轴的拉伸。而被一个mn矩阵左乘,则会使空间维度发生改变,相当于对向量做了高维或低维的投影,然后在做旋转或拉伸变换

在SVD分解公式中,矩阵∑起到改变空间维度的作用,UUVT起到在新的空间中旋转并拉伸的作用

协方差矩阵:

主成分分析(PCA):

<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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