Python 主成分分析PCA

2023-08-09 17:25:16

　　主成分分析（PCA）是一种基于变量协方差矩阵对数据进行压缩降维、去噪的有效方法，PCA的思想是将n维特征映射到k维上（k<n），这k维特征称为主元，是旧特征的线性组合，这些线性组合最大化样本方差，尽量使新的k个特征互不相关。

1.协方差 Covariance

　　变量X和变量Y的协方差公式如下，协方差是描述不同变量之间的相关关系，协方差>0时说明 X和 Y是正相关关系，协方差<0时 X和Y是负相关关系，协方差为0时 X和Y相互独立。

　　协方差的计算是针对两维的，对于n维的数据集，可以计算C(n,2)种协方差。 n维数据的协方差矩阵的定义如下：
　　
Dim(x)表示第x维。

对于三维(x,y,z)，其协方差矩阵如下，可看出协方差矩阵是一个对称矩阵（symmetrical），其对角线元素为每一维的方差：
　

2.特征向量和特征值　

　　若，则称是A的特征值，X是对应的特征向量。可以这样理解：矩阵A作用在它的特征向量X上，仅仅使得X的长度发生了变化，缩放比例就是相应的特征值。特征向量只能在方阵中找到，而且并不是所有的方阵都有特征向量，并且如果一个n*n的方阵有特征向量，那么就有n个特征向量。一个矩阵的所有特征向量是正交的，即特征向量之间的点积为0，一般情况下，会将特征向量归一化，即向量长度为1。

3.PCA过程

　　第一步，获取数据，下图中的Data为原始数据，一共有两个维度，可看出二维平面上的点。

　　下图是Data在二维坐标平面上的散点图：

　　第二步，减去平均值，对于Data中的每一维数据分别求平均值，并减去平均值，得到DataAdjust数据。

　　第三步，计算DataAdjust的协方差矩阵

　　第四步，计算协方差矩阵的特征向量和特征值，选取特征向量

　　特征值0.490833989对应的特征向量是（-0.735178656, 0.677873399），这里的特征向量是正交的、归一化的，即长度为1。

　　下图展示DataAdjust数据和特征向量的关系：

　　正号表示预处理后的样本点，斜着的两条线就分别是正交的特征向量（由于协方差矩阵是对称的，因此其特征向量正交），特征值较大的那个特征向量是这个数据集的主要成分（principle component）。通常来说，当从协方差矩阵计算出特征向量之后，下一步就是通过特征值，对特征向量进行从大到小的排序，这将给出成分意义的顺序。成分的特征值越小，其包含的信息量也就越少，因此可以适当选择。　

　　如果数据中有n维，计算出n个特征向量和特征值，选择前k个特征向量，然后最终的数据集合只有k维，取的特征向量命名为FeatureVector。

　　这里特征值只有两个，我们选择其中最大的那个，1.28402771，对应的特征向量是。

　　第五步，将样本点投影到选取的特征向量上，得到新的数据集

　　假设样例数为m，特征数为n，减去均值后的样本矩阵为DataAdjust(m*n)，协方差矩阵是n*n，选取的k个特征向量组成的矩阵为EigenVectors(n*k)。那么投影后的数据FinalData为

　　这里是FinalData(10*1) = DataAdjust(10*2矩阵)×特征向量

　　得到结果为

　　下图是FinalData根据最大特征值对应的特征向量转化回去后的数据集形式，可看出是将DataAdjust样本点分别往特征向量对应的轴上做投影：

　　如果取的k=2，那么结果是

　　可见，若使用了所有特征向量得到的新的数据集，转化回去之后，与原来的数据集完全一样（只是坐标轴旋转）。

Python实现PCA

　　将数据转化成前K个主成分的伪码大致如下：　

'''

减去平均数

计算协方差矩阵

计算协方差矩阵的特征值和特征向量

将特征值从大到小排序

保留最大的K个特征向量

将数据转换到上述K各特征向量构建的新空间中

'''

　　代码实现如下：

from numpy import *

def loadDataSet(fileName, delim='\t'):

    fr = open(fileName)

    stringArr = [line.strip().split(delim) for line in fr.readlines()]

    datArr = [map(float,line) for line in stringArr]

    return mat(datArr)

def pca(dataMat, topNfeat=999999):

    meanVals = mean(dataMat, axis=0)

    DataAdjust = dataMat - meanVals           #减去平均值

    covMat = cov(DataAdjust, rowvar=0)

    eigVals,eigVects = linalg.eig(mat(covMat)) #计算特征值和特征向量

    #print eigVals

    eigValInd = argsort(eigVals)

    eigValInd = eigValInd[:-(topNfeat+1):-1]   #保留最大的前K个特征值

    redEigVects = eigVects[:,eigValInd]        #对应的特征向量

    lowDDataMat = DataAdjust * redEigVects     #将数据转换到低维新空间

    reconMat = (lowDDataMat * redEigVects.T) + meanVals   #重构数据，用于调试

    return lowDDataMat, reconMat

　　测试数据testSet.txt由1000个数据点组成。下面对数据进行降维，并用matplotlib模块将降维后的数据和原始数据一起绘制出来。

import matplotlib

import matplotlib.pyplot as plt

dataMat = loadDataSet('testSet.txt')

lowDMat, reconMat = pca(dataMat,1)

print "shape(lowDMat): ",shape(lowDMat)

fig = plt.figure()

ax = fig.add_subplot(111)

ax.scatter(dataMat[:,0].flatten().A[0],dataMat[:,1].flatten().A[0],marker='^',s=90)

ax.scatter(reconMat[:,0].flatten().A[0],reconMat[:,1].flatten().A[0],marker='o',s=50,c='red')

plt.show()

　　结果如下图：

Python环境

1.编译环境：win8.1 + 32位 + python2.7

2.相关模块安装：

　　（1）Numpy和Scipy：numpy用于存储和处理大型矩阵，进行数值计算。scipy是基于numpy的科学和工程计算工具，用于处理多维数组向量、矩阵、图形（图形图像是像素的二维数组）、表格。下载地址：http://www.scipy.org/scipylib/download.html

　　（2）Matplotlib：python的一个图形框架，用于数据绘图。win32的安装文件下载地址：http://matplotlib.org/downloads.html

　　（3）Dateutil 和 Pyparsing模块：安装配置matplotlib包时需要。win32的安装文件下载地址：http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/

3.编译遇到问题：

　　（1）提示“No module name six”，将\Python27\Lib\site-packages\scipy\lib中的six.py six.pyc six.pyo三个文件拷贝到\Python27\Lib\site-packages目录下即可。

　　（2）提示 “ImportError: six 1.3 or later is required; you have 1.2.0”，说明six.py版本过低，下载最新的版本，将其中的six.py替换\Python27\Lib\site-packages中的six.py即可，下载地址：https://pypi.python.org/pypi/six/

　　注：six模块是Python 2和3的兼容工具

PCA可以从数据中识别其主要特征，它是通过沿着数据最大方差方向旋转坐标轴来实现的。其中的矩阵运算，求特征值、特征向量等不是很熟悉，仍需进一步学习。

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