七、非线性特征提取和模型堆叠
译者：friedhelm739
校对：（虚位以待）
当在数据一个线性子空间像扁平饼时 PCA 是非常有用的。但是如果数据形成更复杂的形状呢？一个平面（线性子空间）可以推广到一个 流形 （非线性子空间），它可以被认为是一个被各种拉伸和滚动的表面。
如果线性子空间是平的纸张，那么卷起的纸张就是非线性流形的例子。你也可以叫它瑞士卷。（见图 7-1），一旦滚动，二维平面就会变为三维的。然而，它本质上仍是一个二维物体。换句话说，它具有低的内在维度，这是我们在“直觉”中已经接触到的一个概念。如果我们能以某种方式展开瑞士卷，我们就可以恢复到二维平面。这是非线性降维的目标，它假定流形比它所占据的全维更简单，并试图展开它。
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关键是，即使当大流形看起来复杂，每个点周围的局部邻域通常可以很好地近似于一片平坦的表面。换句话说，他们学习使用局部结构对全局结构进行编码。非线性降维也被称为非线性嵌入，或流形学习。非线性嵌入可有效地将高维数据压缩成低维数据。它们通常用于 2-D 或 3-D 的可视化。
然而，特征工程的目的并不是要使特征维数尽可能低，而是要达到任务的正确特征。在这一章中，正确的特征是代表数据空间特征的特征。
聚类算法通常不是局部结构化学习的技术。但事实上也可以用他们这么做。彼此接近的点（由数据科学家使用某些度量可以定义的“接近度”）属于同一个簇。给定聚类，数据点可以由其聚类成员向量来表示。如果簇的数量小于原始的特征数，则新的表示将比原始的具有更小的维度；原始数据被压缩成较低的维度。
与非线性嵌入技术相比，聚类可以产生更多的特征。但是如果最终目标是特征工程而不是可视化，那这不是问题。
我们将提出一个使用 k 均值聚类算法来进行结构化学习的思想。它简单易懂，易于实践。与非线性流体降维相反，k 均值执行非线性流形特征提取更容易解释。如果正确使用它，它可以是特征工程的一个强大的工具。
k 均值聚类
k 均值是一种聚类算法。聚类算法根据数据在空间中的排列方式来分组数据。它们是无监督的，因为它们不需要任何类型的标签，使用算法仅基于数据本身的几何形状来推断聚类标签。
聚类算法依赖于 度量 ，它是度量数据点之间的紧密度的测量。最流行的度量是欧几里德距离或欧几里得度量。它来自欧几里得几何学并测量两点之间的直线距离。我们对它很熟悉，因为这是我们在日常现实中看到的距离。