吴恩达机器学习-9-降维PCA
在本文中主要介绍的是数据降维相关的内容，重点讲解了PCA算法
- 为什么要实施降维
- 数据压缩
- 数据可视化
PCA算法PCA和线性回归算法的区别PCA算法特点Python实现PCA
sklearn中实现PCA
为何降维
在现实高维数据情况下，会有数据样本稀疏、距离计算困难等问题，被称为维数灾难。
解决的方法就是降维，也称之为“维数约简”，即通过某种数据方法将原始高维属性空间转成一个低维“子空间”。在这个子空间中，样本密度大大提高，将高维空间中的一个低维“嵌入”。
降维Dimensionality Reduction
数据降维主要是有两个动机：
- 数据压缩
Data Compression - 数据可视化
Data Visualization
数据压缩Data Compression
上图解释：
- 在一个三维空间中的特征向量降至二维的特征向量。
- 将三维投影到一个二维的平面上，迫使所有的数据都在同一个平面上。
- 这样的处理过程可以被用于把任何维度的数据降到任何想要的维度，例如将
1000维的特征降至100维。
数据可视化Data Visualization
降维能够帮助我们进行数据的可视化工作。
上面图的解释：
- 假设给定数据，具有多个不同的属性
- 某些属性表示的含义可能相同，在图形中可以放到同一个轴上，进行数据的降维
PCA- Principal Component Analysis
在PCA中，要做的是找到一个方向向量（Vector direction），当把所有的数据都投射到该向量上时，PCA的关键点就是找到一个投影平面使得投影误差最小化。
方向向量是一个经过原点的向量，而投射误差是从特征向量向该方向向量作垂线的长度。
PCA与线性回归的区别
- 线性回归中的纵轴是预测值，
PCA中是特征属性 - 误差不同：
PCA是投射误差，线性回归是尝试最小化预测误差。 - 线性回归的目的是预测结果，`PCA·是不做任何分析。
PCA算法
主成分分析中，首先对给定数据进行规范化，使得数据每一变量的平均值为0，方差为1。 之后对数据进行正交变换，用来由线性相关表示的数据，通过正交变换变成若干个线性无关的新变量表示的数据。 新变量是可能的正交变换中变量的方差和(信息保存)最大的，方差表示在新变量上信息的大小。将新变量一次成为第一主成分，第二主成分等。通过主成分分析，可以利用主成分近似地表示原始数据，便是对数据降维。
PCA算法中从n维到k维的过程是
- 均值归一化。计算所有特征的均值，令x_j=x_j-mu_j，如果特征不在一个数量级上，需要除以标准差
- 计算协方差矩阵 covariance matrix
- 计算协方差矩阵sum的特征向量 eigenvectors
在西瓜书中的描述为
主成分个数确定
关于PCA算法中主成分个数k的确定，一般是根据公式：
不等式右边的0.01可以是0.05，或者0.1等，都是比较常见的。当为0.01的时候，表示保留了99%的方差数据，即大部分的数据特征被保留了。
当给定了个数k，协方差矩阵S中求解出来的各个特征值满足公式：
也就是满足：
这个和上面的公式是等价的。
重建的压缩表示
重建的压缩表示Reconstruction from Compressed Representation指的是将数据从低维还原到高维的过程。
上图中有两个样本s{(1)},x{(2)}。通过给定的实数z，满足z={U_{reduce}^{T}_x}，
将指定的点位置映射到一个三维曲面，反解前面的方程：
PCA特点
PCA本质上是将方差最大的方向作为主要特征，让这些特征在不同正交方向上没有相关性。PCA是一种无参数技术，不需要进行任何参数的调节
Python实现PCA
利用numpy、pandas、matplotlib库实现PCA算法
sklearn中实现PCA
Linear dimensionality reduction using Singular Value Decomposition of the data to project it to a lower dimensional space. The input data is centered but not scaled for each feature before applying the SVD.
用sklearn学习PCA
实现模块
在scikit-learn中，与PCA相关的类都在sklearn.decomposition包中。最常用的PCA类就是sklearn.decomposition.PCA。
代码语言：javascript复制白化：对降维后的数据的每个特征进行归一化，让方差都为1
class sklearn.decomposition.PCA(n_components=None, # 降维后的特征数目，直接指定一个整数
copy=True,
whiten=False, # 判断是否进行白化，默认是不白化
svd_solver='auto', # 指定奇异值分解SVD的方法
tol=0.0,
iterated_power='auto',
random_state=None)demo
在这里讲解一个例子，利用PCA算法来进行IRIS数据的分类
