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降维算法之PCA（主成分分析）

news 2025/7/12 10:53:34

主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）算法讲解

1. PCA的基本概念

主成分分析（PCA）是一种统计降维方法，主要用于数据的特征提取和去相关性。其核心思想是通过线性变换，将原始高维数据投影到新的低维坐标轴（主成分）上，同时尽可能保留数据的方差信息。

核心目标：

通过正交变换，将原始数据投影到新的坐标轴，使得新坐标轴（主成分）上的数据方差最大化。
这些新的坐标轴是数据协方差矩阵的特征向量，按对应的特征值大小排序，方差越大的方向越重要。

2. PCA的数学原理

PCA的实现主要涉及线性代数中的特征值分解（Eigen Decomposition）或奇异值分解（SVD），下面详细介绍计算过程。

2.1 数据中心化

设有 $\times n$ 维数据矩阵 $X$ （ $m$ 是样本数， $n$ 是特征数），首先对每个特征进行零均值化（中心化）：
$X_c = X - \bar{X}$
其中， $\bar{X}$ 是数据矩阵每一列（特征）的均值。

2.2 计算协方差矩阵

PCA 通过计算数据的协方差矩阵来找到主要的变化方向：
$\frac{1}{m} X_c^T X_c$
这里， $C$ 是一个 $\times n$ 的对称矩阵，表示特征之间的协方差关系。

2.3 计算特征值和特征向量

对协方差矩阵 $C$ 进行特征值分解：
$v_i = \lambda_i v_i$
其中：

$\lambda_i$ 是协方差矩阵的特征值，表示数据在对应特征向量方向上的方差信息；
$v_i$ 是协方差矩阵的特征向量，表示新坐标轴的方向。

2.4 选择主成分

通常，我们选取前 $k$ 个最大的特征值对应的特征向量作为主成分，形成一个新的转换矩阵：
$V_k = [v_1, v_2, ..., v_k]$
其中 $\leq n$ ，可以通过累计方差贡献率确定 $k$ 的取值：
$\text{累计方差贡献率} = \frac{\sum_{i=1}^{k} \lambda_i}{\sum_{i=1}^{n} \lambda_i}$
若累计方差贡献率达到某个阈值（如95%），则选取对应的 $k$ 。

2.5 变换数据

最终，我们用 $V_k$ 将原始数据投影到低维空间：
$X_{\text{new}} = X_c V_k$
$X_{\text{new}}$ 就是降维后的数据表示。

3. PCA的Python实现

使用 scikit-learn 库进行 PCA 操作：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 生成示例数据
X = np.array([[2, 3, 4], [3, 4, 5], [5, 6, 7]])

# 标准化数据
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# 进行PCA降维（降到2维）
pca = PCA(n_components=2)
X_pca = pca.fit_transform(X_scaled)

print("降维后的数据：\n", X_pca)
print("主成分：\n", pca.components_)
print("方差贡献率：\n", pca.explained_variance_ratio_)

4. 总结

PCA 是基于协方差矩阵的特征值分解来寻找数据主成分的降维方法。
核心思想是找到数据的最大方差方向，并投影到低维空间。
PCA 广泛用于数据降维、降噪、可视化和特征提取，但在非线性数据上效果有限。

主成分分析（PCA，Principal Component Analysis）是一种很常用的数据降维方法，通俗来说，它就像是帮你把一堆乱七八糟的数据“整理归纳”，找到最重要、最有代表性的几个方向，然后用这些方向来简化数据。让我用一个生活化的例子来解释：

假设你去超市买东西，购物篮里装了一堆东西：苹果、香蕉、面包、牛奶、薯片等等。现在你想把这些东西整理一下，方便拎回家。你可能会发现，这些东西其实可以用几个“主要特点”来概括：

水果类（苹果、香蕉）——偏健康、轻便。
日常食品类（面包、牛奶）——必需品，稍微重一点。
零食类（薯片）——不健康，但占空间。

与其把每件东西单独拎着，你可以把它们按这几个“主要类别”打包，这样既省力，又能保留大部分信息。PCA 做的事情就有点像这样：它从一堆复杂的、互相纠缠的数据中，找出几个“主要方向”（主成分），这些方向能抓住数据里的大部分变化（信息），然后用这些方向重新表达数据，丢掉一些不重要的细节。

怎么工作的？

找方向：PCA 会分析数据，看看哪些变量（比如“重量”“甜度”）之间的关系最明显，变化最大。它会挑出变化最大的方向作为“第一主成分”，然后再找次大的方向（第二主成分），以此类推。
投影：把原来的数据“投影”到这些新方向上，就像把杂乱的购物清单按类别整理好。
简化：如果数据太复杂，你可以只保留前几个主成分（比如前两三个），丢掉剩下的，这样数据量变小，但还能保留大部分关键信息。