基于Python的多因子分析

2021-11-08 09:25:06 浏览数 (1)

作者：Peter 编辑：Peter

大家好，我是Peter~

最近看了很多的关于因子分析的资料，整理出这篇理论 实战文章分享给大家。后续会出一篇PCA主成分分析的文章，将主成分分析和因子分析两种降维的方法进行对比。

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因子分析

作为多元统计分析里的降维方法之一，因子分析可以应用于多个场景，如调研、数据建模等场景之中。

起源

因子分析的起源是这样的：1904年英国的一个心理学家发现学生的英语、法语和古典语成绩非常有相关性，他认为这三门课程背后有一个共同的因素驱动，最后将这个因素定义为“语言能力”。

基于这个想法，发现很多相关性很高的因素背后有共同的因子驱动，从而定义了**因子分析，这便是因子分析的由来。

基本思想

我们再通过一个更加实际的例子来理解因子分析的基本思想：

现在假设一个同学的数学、物理、化学、生物都考了满分，那么我们可以认为这个学生的理性思维比较强，在这里理性思维就是我们所说的一个因子。在这个因子的作用下，偏理科的成绩才会那么高。

到底什么是因子分析？就是假设现有全部自变量x的出现是因为某个潜在变量的作用，这个潜在的变量就是我们说的因子。在这个因子的作用下，x能够被观察到。

因子分析就是将存在某些相关性的变量提炼为较少的几个因子，用这几个因子去表示原本的变量，也可以根据因子对变量进行分类。

因子分子本质上也是降维的过程，和主成分分析（PCA）算法比较类似。

2种因子分析

因子分析又分为两种：

  • 探索性因子分析：不确定在现有的自变量背后到底有几个因子在起作用，我们通过需要这种方法试图寻找到这几个因子
  • 验证性因子分析：已经假设自变量背后有几个因子，试图通过这种方法去验证一下这种假设是否正确。

模型推导

假设有p个原始的变量$x_i（i=1,2,…p）$，它们之间可能独立也可能相关。将$x_i$标准化后得到新的变量$z_i$，我们可以建立如下的因子分析模型：

$$z{i}=a{i 1} F{1} a{i 2} F{2} cdots a{i m} F{m} c{i} U_{i} (i=1,2, cdots, p)$$

其中，我们可以定义以下几个术语：公共因子、特殊因子、载荷因子、载荷矩阵

1、第一点：$F_j(j=1,2,…m)$出现在每个变量的式子中且m<p，称之为公共因子

2、第二点：$U_i(i=1,2,…p)$仅仅与变量$z_i$相关，称之为特殊因子

3、第三点：系数$a_{ij}、c_i(i=1,2…p，j=1,2,…m)$称之为载荷因子

4、第四点：$A={(a_{ij})}$称之为载荷矩阵

上面的式子可以表示为：$z=AF CU$

同时也就满足：

$$z=left(z{1}, z{2}, cdots, z{p}right)^{T}, F=left(F{1}, F{2}, cdots, F{m}right)^{T}, U=left(U{1}, U{2}, cdots, U_{p}right)^{T}

A=left(a{i j}right){p times m}, quad C=operatorname{diag}left(c{1}, c{2}, cdots, c_{p}right)$$

我们通常需要对上述模型的进行假设：

1.各个特殊因子以及特殊因子和公共因子之间相互独立，即满足：

$$left{begin{array}{l}operatorname{Cov}(U)=operatorname{diag}left(sigma{1}^{2}, sigma{2}^{2}, cdots, sigma_{p}^{2}right) operatorname{Cov}(F, U)=0end{array}right.$$

2、各公共因子都是均值为0、方差为1的独立正态随机变量，其协方差矩阵为单位矩阵$I_m$，即$F-N(0,I_m)$

3、m个公共因子对第i个变量方差的贡献称之为第i贡献度，记为$h_i^2$

$$h{i}^{2}=a{i 1}^{2} a{i 2}^{2} cdots a{i m}^{2}$$

4、特殊因子的方差称之为特殊方差或者特殊值（$sigma_{i}^{2},i=1,2,3…p$）

5、第i个变量的方差分解为：$operatorname{Var} z{i}=h{i}^{2} sigma_{i}^{2}, i=1,2, cdots, p$

具体的模型推导过程：https://blog.csdn.net/qq_29831163/article/details/88901245

因子载荷矩阵的重要性质

关于因子载荷矩阵的几个重要性质：

1、因子载荷$a_{ij}$是第i个变量与第j个公共因子的相关系数，反映的是第i个变量和第j个公共因子之间的重要性。绝对值越大，表示相关性的密切程度越高。

2、贡献度的统计意义

$$h{i}^{2}=a{i 1}^{2} a{i 2}^{2} cdots a{i m}^{2}=sum{i=1}^ma{ij}^2$$

说明：变量$X_i$的贡献度就是因子载荷矩阵的第i行的元素的平方和

上式两边同时求方差：

$$operatorname{Var}left(X{i}right)=a{i 1}^{2} operatorname{Var}left(F{1}right) cdots a{i m}^{2} operatorname{Var}left(F{m}right) operatorname{Var}left(varepsilon{i}right)$$

也就是：$1=sum{j=1}^{m} a{i j}^{2} sigma_{i}^{2}$

可以看出来：公共因子和特殊因子对变量$Xi$的贡献度之和为1。如果$sum{i=1}^ma_{ij}^2$非常接近1，则$sigma^2$非常小，则因子分析的效果非常好。

3、公共因子$F_{j}$方差贡献的统计意义

因子载荷矩阵中各列元素的平方和 $Sj=sum{i=1}^p a{ij}^2$成为$F(j)$对所有的$X_j$的方差贡献和，衡量$F_j$的相对重要性。

因子分析步骤

应用因子分析法的主要步骤如下：

  • 对所给的数据样本进行标准化处理
  • 计算样本的相关矩阵R
  • 求相关矩阵R的特征值、特征向量
  • 根据系统要求的累积贡献度确定主因子的个数
  • 计算因子载荷矩阵A
  • 最终确定因子模型

factor_analyzer库

利用Python进行因子分析的核心库是：factor_analyzer

代码语言：txt复制
pip install factor_analyzer

这个库主要有两个主要的模块需要学习：

  • factor_analyzer.analyze（重点）
  • factor_analyzer.factor_analyzer

官网学习地址：https://factor-analyzer.readthedocs.io/en/latest/factor_analyzer.html

案例实战

下面通过一个案例来讲解如何进行因子分析。

导入数据

本文中使用的数据是公开的数据集，下面是数据的介绍和下载地址：

  • 数据集介绍: https://vincentarelbundock.github.io/Rdatasets/doc/psych/bfi.html
  • 数据集下载: https://vincentarelbundock.github.io/Rdatasets/datasets.html

这个数据集收集了2800个人关于人格的25个问题。同时这些数据和隐藏的5个特征相关，

Big Five Model is widely used nowadays, the five factors include: neuroticism，extraversion，openness to experience，agreeableness and conscientiousness.

特征之间的对应关系为：

  • 认同性：agree=c(“-A1”,“A2”,“A3”,“A4”,“A5”)
  • 勤奋的、有责任的：conscientious=c(“C1”,“C2”,“C3”,“-C4”,“-C5”)
  • 外向的：extraversion=c(“-E1”,“-E2”,“E3”,“E4”,“E5”)
  • 神经质、不稳定性：neuroticism=c(“N1”,“N2”,“N3”,“N4”,“N5”)
  • 开放的：openness = c(“O1”,“-O2”,“O3”,“O4”,“-O5”)

事先我们并不知道这些隐形变量的对应关系，所以想要通过因子分析来找到25个变量后面的隐藏变量。下面开始进行因子分析的实战过程：

导入库

导入数据处理和分析所需要的库：

代码语言：txt复制
# 数据处理
import pandas as pd
import numpy as np

# 绘图
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
# 因子分析
from factor_analyzer import FactorAnalyzer

数据探索

数据信息

首先我们先导进数据：总共是2800条数据，28个特征属性

代码语言：txt复制
df = pd.read_csv("bfi.csv", index_col=0).reset_index(drop=True)
df

查看下数据的缺失值情况：大部分的字段都是存在缺失值的

数据预处理

数据预处理包含去除3个无效的字段（对分析没有任何作用：age、gender、education），同时去掉存在空值的数据：

代码语言：txt复制
#  去掉无效字段
df.drop(["gender","education","age"],axis=1,inplace=True)
# 去掉空值
df.dropna(inplace=True)

充分性检测

在进行因子分析之前，需要先进行充分性检测，主要是检验相关特征阵中各个变量间的相关性，是否为单位矩阵，也就是检验各个变量是否各自独立。通常是两种方法：

  • Bartlett's球状检验（巴特利球形检验）
  • KMO检验

Bartlett's球状检验

检验总体变量的相关矩阵是否是单位阵（相关系数矩阵对角线的所有元素均为1,所有非对角线上的元素均为零）；即检验各个变量是否各自独立。

如果不是单位矩阵，说明原变量之间存在相关性，可以进行因子分子；反之，原变量之间不存在相关性，数据不适合进行主成分分析

代码语言：txt复制
from factor_analyzer.factor_analyzer import calculate_bartlett_sphericity

chi_square_value, p_value = calculate_bartlett_sphericity(df)
chi_square_value, p_value

# 结果
(18170.96635086924, 0.0)

我们发现统计量p-value的值为0，表明变量的相关矩阵不是单位矩阵，即各个变量之间是存在一定的相关性，我们就可以进行因子分析。

KMO检验

检查变量间的相关性和偏相关性，取值在0-1之间；KOM统计量越接近1，变量间的相关性越强，偏相关性越弱，因子分析的效果越好。

Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) Test measures the suitability of data for factor analysis. It determines the adequacy for each observed variable and for the complete model.

KMO estimates the proportion of variance among all the observed variable. Lower proportion id more suitable for factor analysis. KMO values range between 0 and 1. Value of KMO less than 0.6 is considered inadequate.

通常取值从0.6开始进行因子分析

代码语言：txt复制
from factor_analyzer.factor_analyzer import calculate_kmo
kmo_all,kmo_model=calculate_kmo(df)
kmo_all

KMO大于0.6，也说明变量之间存在相关性，可以进行分析。

选择因子个数

在数据说明中，我们已经知道了这些变量是和5个隐藏的因子相关。但是很多情况下，我们并不知道这个个数，需要自己进行探索。

方法：计算相关矩阵的特征值，进行降序排列

特征值和特征向量

代码语言：txt复制
faa = FactorAnalyzer(25,rotation=None)
faa.fit(df)

# 得到特征值ev、特征向量v
ev,v=faa.get_eigenvalues()

可视化展示

我们将特征值和因子个数的变化绘制成图形：

代码语言：txt复制
 # 同样的数据绘制散点图和折线图
plt.scatter(range(1, df.shape[1]   1), ev)
plt.plot(range(1, df.shape[1]   1), ev)

# 显示图的标题和xy轴的名字
# 最好使用英文，中文可能乱码
plt.title("Scree Plot")  
plt.xlabel("Factors")
plt.ylabel("Eigenvalue")

plt.grid()  # 显示网格
plt.show()  # 显示图形

从上面的图形中，我们明确地看到：选择5个因子是最合适的

建模

因子分析-fit

我们选择5个因子来进行因子分子的建模过程，同时指定矩阵旋转方式为：方差最大化

ratation参数的其他取值情况：

  • varimax (orthogonal rotation)
  • promax (oblique rotation)
  • oblimin (oblique rotation)
  • oblimax (orthogonal rotation)
  • quartimin (oblique rotation)
  • quartimax (orthogonal rotation)
  • equamax (orthogonal rotation)

查看因子方差-get_communalities()

上面执行fit建模后，我们查看每个因子的方差，使用方法：get_communalities()

查看特征值-get_eigenvalues

查看变量的特征值：

查看成分矩阵-loadings

现在有25个变量，5个隐藏变量（因子），查看它们构成的成分矩阵：

如果转成DataFrame格式，index就是我们的25个变量，columns就是指定的5个因子factor。转成DataFrame格式后的数据：

查看因子贡献率-get_factor_variance()

通过理论部分的解释，我们发现每个因子都对变量有一定的贡献，存在某个贡献度的值，在这里查看3个和贡献度相关的指标：

  • 总方差贡献：variance (numpy array) – The factor variances
  • 方差贡献率：proportional_variance (numpy array) – The proportional factor variances
  • 累积方差贡献率：cumulative_variances (numpy array) – The cumulative factor variances

隐藏变量可视化

为了更直观地观察每个隐藏变量和哪些特征的关系比较大，进行可视化展示，为了方便取上面相关系数的绝对值：

然后我们通过热力图将系数矩阵绘制出来：

代码语言：txt复制
# 绘图

plt.figure(figsize = (14,14))
ax = sns.heatmap(df1, annot=True, cmap="BuPu")

# 设置y轴字体大小
ax.yaxis.set_tick_params(labelsize=15)
plt.title("Factor Analysis", fontsize="xx-large")

# 设置y轴标签
plt.ylabel("Sepal Width", fontsize="xx-large")
# 显示图片
plt.show()

# 保存图片
# plt.savefig("factorAnalysis", dpi=500)

转成新变量-transformn

上面我们已经知道了5个因子比较合适，可以将原始数据转成5个新的特征，具体转换方式为：

转成DataFrame格式后数据展示效果更好：仍然是2436条数据，5个特征（新特征）

至此，我们完成了如下的工作：

  1. 原数据的相关性检测
  2. 因子个数的探索
  3. 因子分析的建模过程
  4. 隐藏变量的可视化
  5. 转成基于5个新变量的数据

参考资料

1、Factor Analysis：https://www.datasklr.com/principal-component-analysis-and-factor-analysis/factor-analysis

2、多因子分析：https://mathpretty.com/10994.html

3、factor_analyzer package的官网使用手册：https://factor-analyzer.readthedocs.io/en/latest/factor_analyzer.html

4、浅谈主成分分析和因子分析：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37755749

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