吴恩达机器学习——第15章 降维

1、定义

数据是由一个个特征组成的，假如数有n个特征，则称数据是n维的。
降维就是在保证数据特征趋势不变的前提下，减少特征的个数。
减少特征的依据是把多个相似、相关特征合并为1个特征。

2、目的

降维的目的分为两种：

• 压缩数据：特征数量变少了，数据量自然也就变少了，压缩数据后，可以提升计算速度，降低存储消耗。
• 可视化：通过可视化手段可以帮助我们进行数据分析，但是高纬度的数据（比如10维），是无法通过可视化的手段展现的，通过降维把维度降低到3维、2维后，就可以对数据进行可视化处理了。

3、PCA降维

PCA(Principal Component Analysis)，主成分分析法，是最常用的降维方法之一。其核心思想是找出一个低维的平面或子空间，把样本投影到上面，使原样本与投影后的样本的距离的平方和最小。

如上图所示，把二维的数据投影到了一维的直线上。原始样本到直线的垂直距离，也称为“投影误差”。PCA就是找到一条使投影误差的平方和最小的平面。
注意PCA求解过程中，只与特征 $x_1,x_2,....$相关，并不涉及到样本的标签y。

3.1 计算过程

1. 首先对数据进行预处理：均值标准化或特征缩放。
   – 均值标准化：计算某个特征的平均值，然后使用特征值减去平均值来代替原来的特征值，
   – 特征缩放：按照比率把特征缩放到某个特定范围内，比如除以1000.
2. 计算协方差：
   $\Sigma=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(x^{(i)})(x^{(i)})^T$
   注意左边的 $\Sigma$是大写的sigma，不是累加。
   把Sigma代入svd公式，可以求出3个矩阵：
   $[U,S,V]=svd(sigma)$
   svd：是奇异值分解算法，是octave中的一个函数。
   U:U是一个n*n的矩阵，称为降维矩阵，降到k维就是取它的前k列。
   
3. 映射矩阵：映射到子空间上的矩阵
   
   z代表映射后的矩阵，等于降维矩阵的前k列的转置乘以x，是一个k维的向量。
4. 之后使用z代替x进行计算即可。

3.2 主成分数量的选择

主成分数量，指的是降维的数量，使用k表示，本节介绍如何选择k。
降维的目的是保证特征趋势不变的前提下，尽量选择小的k。
数学上讲就是保留最大的方差性的前提下，选择最小的k。

3.2.1 选择方法1

假设压缩后再还原的特征值为 $x_{approx}$，则 $x-x_{approx}$代表原始值与还原值的差距，该差距越小，则代表着压缩后的损失越小。

$s=\frac{\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m||x^{(i)}-x_{approx}^{(i)}||^2}{\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m||x^{(i)}||^2}$

s代表损失的方差，则选择k的过程就是逐渐增大k，并保证s在合理范围内，比如<=0.01。

计算过程为：

1. 假设k=1
2. 计算s的值。
3. 判断s<=0.01。
4. 如果不满足条件则k=k+1，重新执行步骤2.

3.2.2 选择方法2

$[U,S,V]=svd(sigma)$

通过矩阵s来计算k：
$1-\frac{\sum_{i=1}^kS_{ii}}{\sum_{i=1}^nS_{ii}}<=0.01$

即 $\frac{\sum_{i=1}^kS_{ii}}{\sum_{i=1}^nS_{ii}}>=0.99$

3.3 压缩重现

压缩重现就是把压缩后的低维数据恢复到高维，因为
$Z=U_{reduce}^T*X$
所以 $X_approx=U_{reduce}*Z$

3.4 建议

• PCA只应用到训练集上，然后把降维矩阵应用到测试集和交叉训练集上。
• PCA不要用来防止过拟合：因为PCA的计算过程与Y根本就没有关系，降维的过程中可能会丢失与Y有关系的关键信息，所以不要使用PCA来将拟合，而使用正则化的方式。
• 不要把PCA作为必选步骤：保持简单，有必要的时候再用，比如需要数据压缩或可视化的时候。