PLSR（偏最小二乘回归浅析）

问题描述

算法步骤
分别提取两变量组的第一对线性组合组成的向量

建立回归

迭代

最后

英文原文：Partial Least Squares (PLS) Regression.

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问题描述：

在实际问题中，经常会有多维回归预测问题，最小二乘法求解θ=(XTX)−1XTY： 对于样本数m比样本的维度n要少的情况时， XTX为奇异矩阵，方程将有无穷多解，此时无法求解出实际的正确解。此时可以根据数据之间的相关性进行降维，主成分分析（PCA）是一种普遍利用的方法，不过在有标签并且要做回归的情况下，PLS更加适合此类问题。

算法步骤

首先定义数据 ,假设已经获得了归一化之后的数据以及对应的标签

X0=⎡⎣⎢⎢⎢x11x21...xn1x12x22...xn2............x1mx2m...xnm⎤⎦⎥⎥⎥,Y0=⎡⎣⎢⎢⎢⎢y11y21...yn1y12y22...yn2............y1py2p...ynp⎤⎦⎥⎥⎥⎥

其中，样本数量为n个，X为m维数据，Y为p维标签

偏最小二乘回归分析建模的具体步骤如下：

分别提取两变量组的第一对线性组合组成的向量：

这里不用得分向量那种大部分文献常用的方法，来说一种比较简洁的计算方法，直接在数据矩阵当中提取主成分，

t1=x1w11+...+xmw1n=Xw1,X=(x1,...,xm)

u1=y1v11+...+ypv1p=Yv1,Y=(y1,...,yp)

t1是m个n维的数据向量（列向量）的线性组合(每一个向量长度为样本数量)， u1是p个n维的标签列向量的线性组合，其中w1,v1为单位向量，各自尽可能多地体现其组成成分的信息。

另 t1 和u1 的相关程度达到最大

问题化为求单位向量w1,v1，,使 θ=wT1XTYv1达到最大。

{max:wT1w1<t1,u1>=<Xw1,Yv1>=wT1XTYv1=∥w1∥2=1,vT1v1=∥v1∥2=1

根据PCA原理XTY的主成分，就是计算XTY的协方差矩阵M=XTYYTX的特征值和特征向量，源矩阵和转置矩阵的特征值相同（这里求M=YTXXTY是一样的，特征值相同，只是特征向量差了乘YTX的线性变换）

M的最大特征值为θ2,相应的单位特征向量就是所求的w1,v1可以通过w1计算 v1=1θ1YTXw1

建立回归

建立Y=(y1,...,yp)对t1的回归及X=(x1,...,xm)对t1的回归模型：

{X0Y0=t1α1+X1=t1β1+Y1

由于 和 相关性上已经达到最大化（t1≈u1），这里使用t1替换u1对Y进行回归，从而之后间接用X的成分对Y进行回归。其中α1=(α11,...,α1m),β1=(β11,...,β1p)分别是多对一的回归模型中的参数向量，X1和Y!是残差阵。回归系数向量α,β的最小二乘估计为

⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪α1β1=tT1X0∥t1∥2=tT1Y0∥t1∥2

迭代

如果残差范数不满足要求的阈值，则用残差阵X1和Y!代替X0和Y0重复以上步骤。

w2=(w21,...,w2m),v2=(v21,...,v2p)分别为第二对单位向量。

t2=Xw2,u2=Yv2第二对成分的线性组合。

β2=tT2Y1∥t2∥2,β2=tT2Y1∥t2∥2分别为 X ,Y 的回归模型中第二对成分的参数向量，这时可以得到：

{X0Y0=t1α1+t2α2+X2=t1β1+t2β2+Y2

误差矩阵的范数满足一定条件则可以停止，最多可以存在r个成分X（数据阵）的秩

{X0Y0=t1α1+t2α2+...+trαr+Xr=t1β1+t2β2+...+trβr+Yr

这里与PCA中表达式不一样的是这里成分向量之间没有正交的要求。

最后

将

tk=Xwk=x1wk1+...+xmwkn,k=(1,2,...,r)

带入到

Y0=t1β1+t2β2+...+trβr

当中。即可得到p个标签的偏最小二乘回归方程。

Y0=Xw1β1+Xw2β2+...+Xwrβr+Yr=Xp1+Xp2+...+Xpr

pk=wkβk,k=(1,...r)