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