京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
在机器学习中,有成千上万甚至几十万的维度的数据需要处理,这种情况下机器学习的资源消耗是不可接受的,并且很大程度上影响着算法的复杂度,因此对数据降维是必要的。PCA(Principal Component Analysis)是一种常用的数据分析方法,也是最基础的无监督降维算法。通常用于高维数据集的探索与可视化,还可以用于数据压缩,数据预处理等。PCA通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关表示,可用于提取数据的主要特征分量及高维数据的降维,而转换后的这组变量便是我们所说的主成分。
均值和零均值化
均值
零均值化
然后将每个维度的数据进行零均值化,所谓零均值化就是让均值为0.即每个数据都减去均值。
进行去均值的原因是如果不去均值的话会容易拟合。在神经网络中,如果特征值x比较大的时候,会导致W*x+b的结果也会很大,这样进行激活函数(如relu)输出时,会导致对应位置数值变化量相对来说太小,进行反向传播时因为要使用这里的梯度进行计算,所以会导致梯度消散问题,导致参数改变量很小,也就会易于拟合,效果不好。
定义
若A为n阶矩阵,若数λ和n维非0列向量X满足AX=λX,那么数λ称为A的特征值,X称为A的对应于特征值λ的特征向量
在PCA降维过程中,本质就是把原有数据投影到新的一个空间,我们也就可以看做是在原有数据基础上求解特征向量和特征值
性质
2.对于同一个特征值对应的特征向量的非零线性组合仍是该特征值对应的特征向量
3.矩阵的特征向量总是相对于矩阵的特征值而言,一个特征值具有特征向量不唯一,一个特征向量不能对应不同特征值
从特征向量和特征值的性质我们就可以发现正好符合PCA降维过程中取方差较大和线性不相关的前k维数据作为降维后数据的目的
方差
方差是是用来表示数据的离散程度的,方差越大,离散程度越大,也就是数据波动就越大。
方差的计算:前面已经说了,需要先对每个维度的数据做零均值化,那么方差就是去均值后的平方和的均值
PCA中方差的意义:PCA的本质就是找一些投影方向,使得数据在这些投影方向上的方差最大,而且这些投影方向是相互正交的(即:相关性几乎为0)。这其实就是找新的正交基的过程,计算原始数据在这些正交基上投影的方差,方差越大,就说明在对应正交基上包含了更多的信息量,对数据特征影响更大,我们暂且把这些信息量可以记为特征值。原始数据协方差矩阵的特征值越大,对应的方差越大,在对应的特征向量上投影的信息量就越大。反之,如果特征值较小,则说明数据在这些特征向量上投影的信息量很小,可以将小特征值对应方向的数据删除,从而达到了降维的目的。
协方差
协方差可以计算不同变量之间的相关性:
如果cov(x,y)=-1.变量之间完全负相关
如果cov(x,y)=1.变量之间完全正相关
如果cov(x,y)=0.变量之间完全不相关
而当x和y相等时,协方差的值就等于方差,所以也可以看作方差是协方差的一种特殊情况
在PCA的过程中我们是对原始数据做过零均值化处理的,故,协方差可以变为:
那么每个维度之间的相关性计算方式为:
协方差矩阵
协方差只能表示两个维度变量之间的相互关系,如果有多个维度随机变量,就需要使用协方差矩阵,我们假设现在又三个维度随机变量x,y,z,那么对应的协方差矩阵则为:
矩阵对角化定义
对角矩阵(diagonal matrix)是一个主对角线之外的元素皆为0的矩阵。对角线上的元素可以为0或其他值
如果存在一个可逆矩阵 P 使得 P-1AP 是对角矩阵,则矩阵A就被称为可对角化矩阵
如果一个矩阵与一个对角矩阵相似,我们就称这个矩阵可经相似变换对角化,简称可对角化;与之对应的线性变换就称为可对角化的线性变换
协方差矩阵对角化
上文我们已经说明了协方差矩阵是一个实对称矩阵,由实对称矩阵和相似矩阵性质我们可以得出协方差矩阵C具有的性质:
和C相似的对角矩阵,其对角元素为各特征向量对应的特征值(可能有重复)即:C的特征值就是相似对角矩阵的对角元素
我们假设C的相似对角矩阵为A,那么如果存在一个矩阵P使得P-1CP=A,根据对角矩阵的特点,我们就可以发现矩阵P的每一行就是我们所要找的协方差矩阵的特征向量,而特征值就是对角矩阵的对角元素,现在我们离整个PCA过程还有一步,先把每一个特征向量变成单位向量,然后再按照特征值的大小进行排序,取前K行特征值对应的单位向量组成的矩阵和标准化后数据相乘,就得到了我们需要的降维后的数据矩阵。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在信贷业务中,违约率是衡量信贷资产质量、把控信用风险、制定风控策略的核心指标,其统计分布特征直接决定了风险定价的合理性、 ...
2026-02-03在数字化业务迭代中,AB测试已成为验证产品优化、策略调整、运营活动效果的核心工具。但多数业务场景中,单纯的“AB组差异对比” ...
2026-02-03企业战略决策的科学性,决定了其长远发展的格局与竞争力。战略分析方法作为一套系统化、专业化的思维工具,为企业研判行业趋势、 ...
2026-02-03在统计调查与数据分析中,抽样方法分为简单随机抽样与复杂抽样两大类。简单随机抽样因样本均匀、计算简便,是基础的抽样方式,但 ...
2026-02-02在数据驱动企业发展的今天,“数据分析”已成为企业经营决策的核心支撑,但实践中,战略数据分析与业务数据分析两个概念常被混淆 ...
2026-02-02在数据驱动企业发展的今天,“数据分析”已成为企业经营决策的核心支撑,但实践中,战略数据分析与业务数据分析两个概念常被混淆 ...
2026-02-02B+树作为数据库索引的核心数据结构,其高效的查询、插入、删除性能,离不开节点间指针的合理设计。在日常学习和数据库开发中,很 ...
2026-01-30在数据库开发中,UUID(通用唯一识别码)是生成唯一主键、唯一标识的常用方式,其标准格式包含4个短横线(如550e8400-e29b-41d4- ...
2026-01-30商业数据分析的价值落地,离不开标准化、系统化的总体流程作为支撑;而CDA(Certified Data Analyst)数据分析师,作为经过系统 ...
2026-01-30在数据分析、质量控制、科研实验等场景中,数据波动性(离散程度)的精准衡量是判断数据可靠性、稳定性的核心环节。标准差(Stan ...
2026-01-29在数据分析、质量检测、科研实验等领域,判断数据间是否存在本质差异是核心需求,而t检验、F检验是实现这一目标的经典统计方法。 ...
2026-01-29统计制图(数据可视化)是数据分析的核心呈现载体,它将抽象的数据转化为直观的图表、图形,让数据规律、业务差异与潜在问题一目 ...
2026-01-29箱线图(Box Plot)作为数据分布可视化的核心工具,能清晰呈现数据的中位数、四分位数、异常值等关键统计特征,广泛应用于数据分 ...
2026-01-28在回归分析、机器学习建模等数据分析场景中,多重共线性是高频数据问题——当多个自变量间存在较强的线性关联时,会导致模型系数 ...
2026-01-28数据分析的价值落地,离不开科学方法的支撑。六种核心分析方法——描述性分析、诊断性分析、预测性分析、规范性分析、对比分析、 ...
2026-01-28在机器学习与数据分析领域,特征是连接数据与模型的核心载体,而特征重要性分析则是挖掘数据价值、优化模型性能、赋能业务决策的 ...
2026-01-27关联分析是数据挖掘领域中挖掘数据间潜在关联关系的经典方法,广泛应用于零售购物篮分析、电商推荐、用户行为路径挖掘等场景。而 ...
2026-01-27数据分析的基础范式,是支撑数据工作从“零散操作”走向“标准化落地”的核心方法论框架,它定义了数据分析的核心逻辑、流程与目 ...
2026-01-27在数据分析、后端开发、业务运维等工作中,SQL语句是操作数据库的核心工具。面对复杂的表结构、多表关联逻辑及灵活的查询需求, ...
2026-01-26支持向量机(SVM)作为机器学习中经典的分类算法,凭借其在小样本、高维数据场景下的优异泛化能力,被广泛应用于图像识别、文本 ...
2026-01-26