根据样本计算协方差矩阵的过程

假设我们有一个包含3个样本的数据集,每个样本包含3个维度的数据,可以表示为一个3x3的矩阵。我们将使用以下数据集作为示例:

```
数据集 X = [[1, 2, 3],
           [4, 5, 6],
           [7, 8, 9]]
```

首先,我们需要计算数据集 X 的协方差矩阵。协方差矩阵反映了数据集中各个维度之间的线性相关性。

以下是具体的计算步骤:

1. 计算数据集 X 的均值向量,即每个维度的平均值。在这个例子中,我们可以计算 X 的均值向量为:

   ```
   均值向量 mean_X = [ (1+4+7)/3, (2+5+8)/3, (3+6+9)/3 ] = [4, 5, 6]
   ```

2. 将数据集 X 的每个样本减去均值向量,得到新的数据集 X_centered。这样做是为了将数据集中心化,消除样本之间的平移影响。计算公式如下:

   ```
   X_centered = X - mean_X
              = [[1-4, 2-5, 3-6],
                 [4-4, 5-5, 6-6],
                 [7-4, 8-5, 9-6]]
              = [[-3, -3, -3],
                 [0, 0, 0],
                 [3, 3, 3]]
   ```

3. 计算数据集 X_centered 的协方差矩阵。协方差矩阵的定义如下:

   ```
   cov_X = (X_centered.T @ X_centered) / (n-1)
   ```

   其中,`T` 表示矩阵的转置,`@` 表示矩阵乘法,`n` 表示样本数。根据上述定义,我们可以计算出 `cov_X` 的值:

   ```
   cov_X = X_centered.T @ X_centered / (3-1)
         = [[-3, 0, 3],
            [-3, 0, 3],
            [-3, 0, 3]] @ [[-3, -3, -3],
                            [0, 0, 0],
                            [3, 3, 3]] / 2
         = [[18, 18, 18],
            [18, 18, 18],
            [18, 18, 18]] / 2
         = [[9, 9, 9],
            [, 9, 9],
            [9, 9, 9]]
   ```

因此,给定数据集 X,其协方差矩阵为:

```
cov_X = [[9, 9, 9],
         [9, 9, 9],
         [9, 9, 9]]
```

请注意,我们在计算协方差矩阵时,将结果除以了 `(n-1)`,其中 `n` 是样本数目,这是为了无偏估计协方差矩阵。

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