机器学习实战-13利用PCA来简化数据

最近正在做一个语音分离的任务，其中有一个语音分离的方法叫做NMF，中文非负矩阵分解，即将矩阵表示为V=WH，m*n = m*r * r*n；其实这种矩阵分解的方式和本章的内容类似，也是对矩阵进行降维或者简化矩阵；其实有时候并不仅仅是降维，这种方式，也是一种变相提取特征值得过程，其中的W相当于特征向量组，H相当于特征的权重向量组。即PCA不仅仅对数据进行降维，降低了数据的运算量；同时也是一种提取特真的好方法。

一、前言

什么是降维，想象一下，初中时我们学习物理，记得老师经常说，让我们把一个物体看做一个“质点”，比如足球，它就是一个点，就不要关注上面的花纹。所以在足球比赛时，尽管电视机的画面很多，有花有草还有“演员”，但是我们关注的只是足球那一个点。这里的思想其实就是降维，即去掉我们不需要关注的数据或者维度

二、降维技术

几种降维技术：

主成分分析PCA（principal component analysis）:将数据从原始的坐标系转换到新的坐标系。第一个坐标系选择为原数据方差最大的方向（最大吗？我咋感觉是最小。。），第二个坐标系选择与第一个坐标系（上一个）相正交且方差最大的方向，以此类推，重复次数为原始数据的维数。其实，最后我们发现，大部分方差都包含在前面的几个坐标轴中，所以只需要取前几个坐标轴就行，这就降维了！举个例子：就相当于，我们分类人群性别时，如果知道人群的头发是否是长头发和是否穿牛仔，牛仔的辨识度很差，基本可以抛弃，就不用在考虑这个特征（男女都穿牛仔，没有区分度）

因此分析FA（factor analysis）：这个有点像我们线性倒数中的求解矩阵的基，或者说是单位向量。我们的数据很多，但是猜测我们的数据都是有某些单位向量（隐变量）线性组合来的。即，给了很多坐标数据(1,1)(2,2)(1,3)(2,6)(3,9),看起来很复杂，仔细想想，其实只需要两个数据就能表达，即（1,1）和（1,3），其他都是这两个点的线性组合。官方定义：假设观察数据是某些隐变量和某些噪声的线性组合，我们只需要找到这些隐变量就行

独立成分分析ICA（independence component analysis）：这个和FA有点类似，应该就是单通道语音分离的方式。但是与FA不同的是，我们的这些基（隐变量）不是单个的，可能是一个组合或者一个高斯模型。即我们假设我们的数据是由N个互相独立的数据源组成，与PCA不同，这些数据源互相独立就，这样我们就能分别分离。比如，一个混合的语音信号，这里面有张三的话、李四的话和王健林的话，这里面张三这几个人的话就是相互独立的数据集。

三、PCA

转载：

优点：降低数据的复杂性，识别最重要的多个特征。

缺点：不一定需要，且可能损失有用信息。

使用数据类型：数值型数据。

移动坐标轴

考虑一下图1中的大量数据点。若要求画出一条直线，这条线要尽可能覆盖这些点，三条直线中B最长。在PCA中，对数据的坐标进行旋转，该旋转的过程取决于数据的本身。第一条坐标轴旋转到覆盖数据的最大方差为止，即直线B。数据的最大方差给出了数据的最重要的信息。



在选择了覆盖数据最大差异性的坐标轴后，继续选择第二条坐标轴。假如该坐标轴与第一条坐标轴垂直，它就是覆盖数据次大差异性的坐标轴。更严谨的说法是正交（orthogonal）。在二维平面下，垂直和正交是一回事。在图1中，直线C就是第二条坐标轴。利用PCA，可将数据坐标轴旋转至数据角度上的那些最重要的方向。



实现坐标轴旋转后，可讨论降维。坐标轴的旋转并没有减少数据的维度。图2中包含三个不同的类别。要区分这三个类别，可使用决策树。决策树每次都是基于一个特征来做决策。我们会发现，在x轴上可找到一些值，这些值能够很好地将这3个类别分开。这样可得到一些规则，比如当(X<4)时，数据属于类别0。若使用SVM这样稍复杂的分类器，可得到更好的分类面和分类规则，比如当(w0*x + w1*y + b) > 0时，数据也属于类别0。SVM可能比决策树得到更好的分类间隔，但分类超平面却很难解释。

通过PCA进行降维处理，可同时获得SVM和决策树的优点：一方面，得到了和决策树一样的简单分类器，同时分类间隔和SVM一样好。考虑图2中下面的图，其中的数据来自于上面的图并经PCA转换后绘制而成。如果仅使用原始数据，那么这里的间隔会比决策树的间隔大。另外，由于只需要考虑一维信息，因此数据可通过比SVM简单得多的、且容易采用的规则进行区分。

在图2中，只需一维信息即可，因为另一维信息只是对分类缺乏贡献的噪声数据。在二维平面下，这看上去微不足道，但在高维空间则意义重大。

对PCA的基本过程简单阐述后，接下来可通过代码实现PCA过程。前面提到第一个主成分就是从数据差异性最大（即方差最大）的方向提取出来的，第二个主成分则来自于数据差异次大的方向，并且该方向与第一个主成分方向正交。通过数据集的协方差矩阵及其特征值分析，可以求得这些主成分的值。

一旦得到了协方差矩阵的特征向量，就可以保留最大的N个值。这些特征向量也给出了N个最重要的真实结构。可以通过将数据乘上这N个特征向量而将它转到新的空间。

numpy实现PCA降维

代码：pca.py

"""
@author: zoutai
@file: pca.py
@time: 2017/11/16
@description: PCA降维
"""

from numpy import *

def loadDataSet(fileName, delim='\t'):
fr = open(fileName)
stringArr = [line.strip().split(delim) for line in fr.readlines()]
datArr = [list(map(float,line)) for line in stringArr]
return mat(datArr)

def pca(dataMat, topNfeat = 9999999):
meanVals = mean(dataMat,axis=0)
meanRemoved = dataMat - meanVals
covMat = cov(meanRemoved,rowvar=0) # 计算协方差矩阵
eigVal,eigVector = linalg.eig(covMat) # 求协方差矩阵的特征值和特征向量

# 对特征值进行排序
sortEigVals = argsort(eigVal)
sigValInd = sortEigVals[:-(topNfeat+1):-1] # 从倒数第topNfeat+1个，取到导数第一个
selectedEigVertor = eigVector[:,sigValInd]

# 还原数据
lowDataMat = meanRemoved * selectedEigVertor
reconMat = lowDataMat * selectedEigVertor.T + meanVals
return lowDataMat,reconMat

# 补全缺失值
def replaceNanWithMean():
datMat = loadDataSet('secom.data', ' ')
numFeat = shape(datMat)[1]
for i in range(numFeat):
meanVal = mean(datMat[nonzero(~isnan(datMat[:,i].A))[0],i]) #values that are not NaN (a number)
datMat[nonzero(isnan(datMat[:,i].A))[0],i] = meanVal  #set NaN values to mean
return datMat

代码：test.py

"""
@author: zoutai
@file: test.py
@time: 2017/11/16
@description:
"""
from unit13.pca import *
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt

dataMat = loadDataSet('testSet.txt')
lowMat,reconMat = pca(dataMat,1)
# lowMat,reconMat = pca(dataMat,2) #数据本身只有两个特征，因此当选择2时，数据不区分，数据重合没有线
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(211)
ax.scatter(dataMat[:,0].flatten().A[0],dataMat[:,1].flatten().A[0],marker='^',s=90)
ax.scatter(reconMat[:,0].flatten().A[0],reconMat[:,1].flatten().A[0],marker='o',s=90)

# test2-利用PCA对半导体数据进行降维
# 方差百分比=（选取的特征值之和）/(所有的特征值之和)
dataMat = replaceNanWithMean()
meanVals = mean(dataMat,axis=0)
meanRemoved = dataMat - meanVals
covMat = cov(meanRemoved,rowvar=0)
eigVals,eigVector = linalg.eig(mat(covMat))
sortEigVals = sort(eigVals)
eigSum = sum(sortEigVals)
sigValInd = sortEigVals[:-(20+1):-1] # 从倒数第topNfeat+1个，取到导数第一个
print(sigValInd)
print(eigVals) # 通过观察可以发现，大部分特征值都是0，只有少部分有用
x=[]
y=[]
allSum = []
for i in(1,2,3,4,5,6,7,20):
print(sigValInd[:i])
addSum = sum(sigValInd[i-1:i])
x.append(i)
y.append(10*addSum/eigSum)
allSum.append(10*sum(sigValInd[0:i])/eigSum)
ax = fig.add_subplot(212)
ax.plot(x,y,marker = 'x')
ax.plot(x,allSum,marker = '+',color='r')
plt.show()

参考链接：http://blog.csdn.net/zhongkelee/article/details/44064401