PCA算法的数学知识---特征值分解和奇异值分解.doc

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1、PCA算法的数学知识---特征值分解和奇异值分解：1）特征值：   如果说一个向量v是方阵X的特征向量，将一定可以表示成下面的形式：   这时候λ就被称为特征向量v对应的特征值，一个矩阵的一组特征向量是一组正交向量。特征值分解是将一个矩阵分解成下面的形式：其中Q是这个矩阵X的特征向量组成的矩阵，Σ是一个对角阵，每一个对角线上的元素就是一个特征值。首先，要明确的是，乘以一个矩阵其实就是一个线性变换，而且将一个矩阵乘以一个向量后得到的向量，其实就相当于对这个向量进行了线性变换。如果我们想要描述好一个变换，

2、那我们就描述好这个变换主要的变化方向就好了。分解得到的Σ矩阵是一个对角阵，里面的特征值是由大到小排列的，这些特征值所对应的特征向量就是描述这个矩阵变化方向（从主要的变化到次要的变化排列）。通过特征值分解得到的前N个特征向量，就对应了这个矩阵最主要的N个变化方向。我们利用这前N个变化方向，就可以近似这个矩阵（变换）。也就是：提取这个矩阵最重要的特征。总结一下，特征值分解可以得到特征值与特征向量，特征值表示的是这个特征到底有多重要，而特征向量表示这个特征是什么，可以将每一个特征向量理解为一个线性的子空间，

3、我们可以利用这些线性的子空间干很多的事情。不过，特征值分解也有很多的局限，比如说变换的矩阵必须是方阵。2）奇异值：   特征值分解是一个提取矩阵特征很不错的方法，但是它只是对方阵而言的，而奇异值分解是一个能适用于任意的矩阵的一种分解的方法：假设X是一个n*p的矩阵，那么得到的U是一个n*n的方阵（里面的向量是正交的，U里面的向量称为左奇异向量），Σ是一个n*p的矩阵（除了对角线的元素都是0，对角线上的元素称为奇异值），(V的转置)是一个p*p的矩阵，里面的向量也是正交的，V里面的向量称为右奇异向量）。

4、那么奇异值和特征值是怎么对应起来的呢？首先，我们将一个矩阵X的转置乘以X，将会得到一个方阵，我们用这个方阵求特征值可以得到：   这里得到的v，就是我们上面的右奇异向量。此外我们还可以得到：   这里的σ就是上面说的奇异值，u就是上面说的左奇异向量。奇异值σ跟特征值类似，在矩阵Σ中也是从大到小排列，而且σ的减少特别的快，在很多情况下，前10%甚至1%的奇异值的和就占了全部的奇异值之和的99%以上了。也就是说，我们也可以用前r大的奇异值来近似描述矩阵，这里定义一下部分奇异值分解：   r是一个远小于n、

5、p的数，右边的三个矩阵相乘的结果将会是一个接近于X的矩阵，在这儿，r越接近于p，则相乘的结果越接近于X。而这三个矩阵的面积之和（在存储观点来说，矩阵面积越小，存储量就越小）要远远小于原始的矩阵X，我们如果想要压缩空间来表示原矩阵X，我们存下这里的三个矩阵：U、Σ、V就好了。奇异值与主成分分析（PCA）：PCA的全部工作简单点说，就是对原始的空间中顺序地找一组相互正交的坐标轴，第一个轴是使得方差最大的，第二个轴是在与第一个轴正交的平面中使得方差最大的，第三个轴是在与第1、2个轴正交的平面中方差最大的，这

6、样假设在N维空间中，我们可以找到N个这样的坐标轴，我们取前r个去近似这个空间，这样就从一个N维的空间压缩到r维的空间了，但是我们选择的r个坐标轴能够使得空间的压缩使得数据的损失最小。假设矩阵每一行表示一个样本，每一列表示一个特征，用矩阵的语言来表示，对一个n*p的矩阵X进行坐标轴的变化，P就是一个变换的矩阵，从一个p维的空间变换到另一个p维的空间，在空间中就会进行一些类似于旋转、拉伸的变化。   而将一个n*p的矩阵X变换成一个n*r的矩阵，这样就会使得本来有p个特征的样本，变成了有r个特征了（r

7、)，这r个其实就是对p个特征的一种提炼。用数学语言表示就是：   但是这个跟奇异值分解（SVD）什么关系呢？之前谈到，SVD得出的奇异向量也是从奇异值由大到小排列的，按PCA的观点来看，就是方差最大的坐标轴就是第一个奇异向量，方差次大的坐标轴就是第二个奇异向量…我们回忆一下之前得到的SVD式子：    在矩阵的两边同时乘上一个矩阵V，由于V是一个正交的矩阵，所以V转置乘以V得到单位阵I，所以可以化成后面的式子    将后面的式子与X*P那个n*p的矩阵变换为n*r的矩阵的式子对照看看，在这里，其实V就

8、是P，也就是一个变化的向量，即一组新的坐标基，也叫主成分矩阵，而相当于原数据在新坐标基下的坐标，叫做得分矩阵。这里是将一个n*p的矩阵压缩到一个n*r的矩阵，也就是对列进行压缩。如果我们想对行进行压缩（在PCA的观点下，对行进行压缩可以理解为，将一些相似的样本合并在一起，或者将一些没有太大价值的样本去掉）怎么办呢？同样我们写出一个通用的行压缩例子：   这样就从一个n行的矩阵压缩到一个r行的矩阵了，对SVD来说也是一样的，我们对SVD分解的式子两边乘以U