python主成分分析法降维_机器学习(七):主成分分析PCA降维_Python

六、PCA主成分分析(降维)

github地址:https://github.com/lawlite19/MachineLearning_Python全部代码

1、用处

数据压缩(Data Compression),使程序运行更快可视化数据,例如3D-->2D等……

2、2D–>1D,nD–>kD

如下图所示,所有数据点可以投影到一条直线,是投影距离的平方和(投影误差)最小  注意数据需要归一化处理思路是找1个向量u,所有数据投影到上面使投影距离最小那么nD-->kD就是找k个向量,所有数据投影到上面使投影误差最小

eg:3D–>2D,2个向量就代表一个平面了,所有点投影到这个平面的投影误差最小即可

3、主成分分析PCA与线性回归的区别

线性回归是找x与y的关系,然后用于预测yPCA是找一个投影面,最小化data到这个投影面的投影误差

4、PCA降维过程

数据预处理(均值归一化)

公式:就是减去对应feature的均值,然后除以对应特征的标准差(也可以是最大值-最小值)实现代码:   # 归一化数据

def featureNormalize(X):

'''(每一个数据-当前列的均值)/当前列的标准差'''

n = X.shape[1]

mu = np.zeros((1,n));

sigma = np.zeros((1,n))

mu = np.mean(X,axis=0)

sigma = np.std(X,axis=0)

for i in range(n):

X[:,i] = (X[:,i]-mu[i])/sigma[i]

return X,mu,sigma计算协方差矩阵Σ(Covariance Matrix):

注意这里的Σ和求和符号不同协方差矩阵对称正定(不理解正定的看看线代)大小为nxn,n为feature的维度实现代码:    Sigma = np.dot(np.transpose(X_norm),X_norm)/m # 求Sigma  计算Σ的特征值和特征向量

可以是用svd奇异值分解函数:U,S,V = svd(Σ)返回的是与Σ同样大小的对角阵S(由Σ的特征值组成)[注意:matlab中函数返回的是对角阵,在python中返回的是一个向量,节省空间]还有两个**酉矩阵**U和V,且注意:svd函数求出的S是按特征值降序排列的,若不是使用svd,需要按特征值大小重新排列U降维

选取U中的前K列(假设要降为K维)Z就是对应降维之后的数据实现代码:   # 映射数据

def projectData(X_norm,U,K):

Z = np.zeros((X_norm.shape[0],K))

U_reduce = U[:,0:K]          # 取前K个

Z = np.dot(X_norm,U_reduce)

return Z过程总结:

Sigma = X'*X/mU,S,V = svd(Sigma)Ureduce = U[:,0:k]Z = Ureduce'*x

5、数据恢复

因为:所以: (注意这里是X的近似值)又因为Ureduce为正定矩阵,【正定矩阵满足:,所以:】,所以这里:实现代码:

# 恢复数据

def recoverData(Z,U,K):

X_rec = np.zeros((Z.shape[0],U.shape[0]))

U_recude = U[:,0:K]

X_rec = np.dot(Z,np.transpose(U_recude))  # 还原数据(近似)

return X_rec

6、主成分个数的选择(即要降的维度)

如何选择

投影误差(project error):总变差(total variation):若误差率(error ratio):,则称99%保留差异性误差率一般取1%,5%,10%等如何实现

若是一个个试的话代价太大之前U,S,V = svd(Sigma),我们得到了S,这里误差率error ratio:  可以一点点增加K尝试。

7、使用建议

不要使用PCA去解决过拟合问题Overfitting,还是使用正则化的方法(如果保留了很高的差异性还是可以的)只有在原数据上有好的结果,但是运行很慢,才考虑使用PCA

8、运行结果

2维数据降为1维

要投影的方向  2D降为1D及对应关系  人脸数据降维

原始数据  可视化部分U矩阵信息  恢复数据

9、使用scikit-learn库中的PCA实现降维

导入需要的包:

#-*- coding: utf-8 -*-

# Author:bob

# Date:2016.12.22

import numpy as np

from matplotlib import pyplot as plt

from scipy import io as spio

from sklearn.decomposition import pca

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

归一化数据

'''归一化数据并作图'''

scaler = StandardScaler()

scaler.fit(X)

x_train = scaler.transform(X)

使用PCA模型拟合数据,并降维

n_components对应要将的维度

'''拟合数据'''

K=1 # 要降的维度

model = pca.PCA(n_components=K).fit(x_train)   # 拟合数据,n_components定义要降的维度

Z = model.transform(x_train)    # transform就会执行降维操作

数据恢复

model.components_会得到降维使用的U矩阵

'''数据恢复并作图'''

Ureduce = model.components_     # 得到降维用的Ureduce

x_rec = np.dot(Z,Ureduce)       # 数据恢复

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