28、主成分分析中的投影视角与特征向量计算

主成分分析中的投影视角与特征向量计算

1. 投影视角下的主成分分析基础

在数据处理中,为了尽可能保留数据信息,同时降低数据维度,主成分分析(PCA)是一种常用的方法。以MNIST训练数据中的所有数字“8”为例,计算数据协方差矩阵的特征值。从相关图示可知,数据协方差矩阵的200个最大特征值中,只有少数显著不为0。这意味着,当将数据投影到对应特征向量所张成的子空间时,大部分方差仅由少数主成分捕获。

为了找到$R^D$中能保留尽可能多信息的$M$维子空间,PCA建议选择矩阵$B$(在特定公式中)的列作为数据协方差矩阵$S$的$M$个与最大特征值相关的特征向量。PCA通过前$M$个主成分所能捕获的最大方差为:
[V_M = \sum_{m=1}^{M} \lambda_m]
其中,$\lambda_m$是数据协方差矩阵$S$的$M$个最大特征值。相应地,通过PCA进行数据压缩所损失的方差为:
[J_M := \sum_{j=M+1}^{D} \lambda_j = V_D - V_M]
我们还可以定义相对捕获方差为$\frac{V_M}{V_D}$,以及压缩损失的相对方差为$1 - \frac{V_M}{V_D}$。

2. 投影视角的引入

前面通过最大化投影空间的方差来推导PCA,接下来从另一个角度出发,关注原始数据$x_n$与其重建数据$\tilde{x}_n$之间的差异向量,并最小化这个距离,使$x_n$和$\tilde{x}_n$尽可能接近。

2.1 设置与目标

假设$R^D$存在一个(有序)标准正交基(ONB)$B = (b_1, \ldots, b_D)$,即$b_i^T

基于数据驱动的 Koopman 算子的递归神经网络模型线性化,用于纳米定位系统的预测控制研究(Matlab代码实现)内容概要:本文围绕“基于数据驱动的Koopman算子的递归神经网络模型线性化”展开,旨在研究纳米定位系统的预测控制问题,并提供完整的Matlab代码实现。文章结合数据驱动方法Koopman算子理论,利用递归神经网络(RNN)对非线性系统进行建模线性化处理,从而提升纳米级定位系统的精度动态响应性能。该方法通过提取系统隐含动态特征,构建近似线性模型,便于后续模型预测控制(MPC)的设计优化,适用于高精度自动化控制场景。文中还展示了相关实验验证仿真结果,证明了该方法的有效性和先进性。; 适合人群:具备一定控制理论基础和Matlab编程能力,从事精密控制、智能制造、自动化或相关领域研究的研究生、科研人员及工程技术人员。; 使用场景及目标:①应用于纳米级精密定位系统(如原子力显微镜、半导体制造设备)中的高性能控制设计;②为非线性系统建模线性化提供一种结合深度学习现代控制理论的新思路;③帮助读者掌握Koopman算子、RNN建模模型预测控制的综合应用。; 阅读建议:建议读者结合提供的Matlab代码逐段理解算法实现流程,重点关注数据预处理、RNN结构设计、Koopman观测矩阵构建及MPC控制器集成等关键环节,并可通过更换实际系统数据进行迁移验证,深化对方法泛化能力的理解。
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