主成分分析(数学建模)
数学建模中的主成分分析法
１ 主 成 分 分 析 的 基 本 思 想 和 数 学 模 型
１ ． １ 主 成 分 分 析 简 介 主成分这个概念 由美 国统计学家 Ｋ ａ ｒ ｌ Ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ｏ ｎ在 １ ９ ０ １ 年提 出． 当
０ ｉ
时只是进行 了非 随机变量 的讨论 ． ．是从多指标分析 出发 ． 运用 统计分 析原理 与方法提取少数几个 彼此不想关 的综合性 指标 而保持其 原指 标所提供 的大量信息 的一种统计方法 １ ９ ３ ３年 Ｈｏ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ 则将此概念推 广到了随机变量 中。主成 分分析 的原理 ． 是以较少数 的综合 变量 取代原有 的多维变量 ． 使数据结 构简 化． 把原 指标 综合成较少几个 主成分 ． 再 以这几个 主成分 的贡献 率为 权数进行加权平均 ． 构造 出一个综合评价 函数 作为一种 多指标分析 方法 ． 在综合评价 函数 中． 各主成分 的权术为其 贡献率 ， 它反映了该主 成分包含 原数据的信息量 占全部信息 量的 比重 ．这样 确定权术 是客 观、 合理 的． 它克服 了某些评价方法 中人为确定权术 的缺 陷 ， 这种方法 的计算 比较规范 ． 便于在计算机上实现 １ ． ２ 主 成 分 分 析 基 本 思 想 在许 多实际问题 中． 为了全面系统 的反应 问题 ． 我们通常用 多个 变量来刻 画某一事物 ． 但 由于这些变量 间具有较强 的相关关 系 ． 变量 间存在 大量的重复信息 ． 直 接用它们分析 问题时 ． 往往会引起极 大的 误差 。因此人们希望用较少 的新指标代替原来较多 的旧变量 ， 同时要 求这些新指标尽可能 的反应原来 的信息 。 般来说 ． 主成分 与原始变量之 间的关 系： （ １ ） 各主成分都是原始变量 的线性组合 。 （ ２ ） 主成分 的个数远小 于原始变量 的个数 。 （ ３ ） 各主成分之 间互不相关 。 （ ４ ） 主成分保 留了原始变量 的绝大部分信息 １ ＿ ３ 主成分分析 的模型 假设有 ｎ个 样本 ， 有 Ｐ个观测指标 （ ｐ ＜ ｎ ） ， 得 到原始数据 矩阵 ｘ＝ （ ． ： ． ， …， ） ， 其相关系数矩阵 为 。数学上通常 的做 法是将 原来 Ｐ 个指标做线性组合 ，作为新的综合指标 。记这些新 的综合指标 为 ｚ １ ， Ｚ ２ ， …， 磊。最经典 的方法就是用方差来表示 。Ｚｌ ， Ｚ ２ ， …， 五 这些新指标 之间互不相关 ， 且方差递减 。 因此 ． 计算 相关 系数 矩阵 的特 征值为 Ａ ， ≥Ａ ≥… ≥Ａ ， 向量 ｆ ． ， ｆ ， ｆ 。 为相应 的单位特征 向量 ， 则第 个主成 分为
大学生数学建模-主成分分析方法
要点三
结合深度学习技术
随着深度学习技术的不断发展，为主 成分分析方法提供了新的思路和方法 。未来研究可以关注如何将深度学习 技术与主成分分析方法相结合，构建 更加高效、准确的模型，以应对更加 复杂的问题和挑战。
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本案例来自某高校数学建模竞赛，旨在通过主成 分分析方法对一组多维数据进行降维处理。
数据特点
原始数据集包含多个特征，且特征之间存在相关 性，数据维度较高。
建模目标
通过主成分分析，提取数据中的主要特征，降低 数据维度，以便进行后续的数据分析和建模。
数据采集与预处理
数据采集
01
从相关数据源获取原始数据集，确保数据的完整性和准确性。
简化数据结构
主成分分析能够将多个相关变量 转化为少数几个综合变量，简化 数据结构，方便后续分析和建模。
应用于多个领域
主成分分析方法在经济学、金融 学、社会学、医学等多个领域都 有广泛应用，为相关领域的研究 提供了有力支持。
主成分分析方法的概述
01 02
线性变换方法
主成分分析通过线性变换将原始数据转换为新的坐标系，使得新坐标系 下的各主成分之间互不相关，且第一主成分解释原始数据变异的能力最 强，后续主成分依次减弱。
大学生数学建模-主成分分析方法
目录
• 引言 • 主成分分析方法的基本原理 • 主成分分析方法在大学生数学建模中
的应用 • 主成分分析方法的优缺点及适用范围
目录
• 案例分析：基于主成分分析的大学生 数学建模实践
• 总结与展望
01 引言
目的和背景
探究数据内在结构
主成分分析是一种常用的多元统 计方法，通过降维技术探究数据 内在结构，揭示变量之间的关系。
数学建模各种分析方法
现代统计学1.因子分析(Faｃｔor Ａｎalysis)因子分析的基本目的就是用少数几个因子去描述许多指标或因素之间的联系，即将相关比较密切的几个变量归在同一类中，每一类变量就成为一个因子(之所以称其为因子,是因为它是不可观测的，即不是具体的变量），以较少的几个因子反映原资料的大部分信息.运用这种研究技术，我们可以方便地找出影响消费者购买、消费以及满意度的主要因素是哪些，以及它们的影响力（权重）运用这种研究技术，我们还可以为市场细分做前期分析。
2．主成分分析主成分分析主要是作为一种探索性的技术，在分析者进行多元数据分析之前,用主成分分析来分析数据,让自己对数据有一个大致的了解是非常重要的.主成分分析一般很少单独使用：a，了解数据。
(screeninｇ the daｔa)，b，和ｃｌuｓteｒ aｎaｌysｉs一起使用，c，和判别分析一起使用，比如当变量很多，个案数不多，直接使用判别分析可能无解,这时候可以使用主成份发对变量简化。
（ｒeduce dimensiｏｎality)d,在多元回归中,主成分分析可以帮助判断是否存在共线性(条件指数),还可以用来处理共线性。
主成分分析和因子分析的区别1、因子分析中是把变量表示成各因子的线性组合，而主成分分析中则是把主成分表示成个变量的线性组合。
2、主成分分析的重点在于解释个变量的总方差，而因子分析则把重点放在解释各变量之间的协方差。
３、主成分分析中不需要有假设(ａｓｓｕｍptions）,因子分析则需要一些假设。
因子分析的假设包括：各个共同因子之间不相关，特殊因子（speｃific fａct ｏr）之间也不相关，共同因子和特殊因子之间也不相关.４、主成分分析中，当给定的协方差矩阵或者相关矩阵的特征值是唯一的时候，的主成分一般是独特的；而因子分析中因子不是独特的,可以旋转得到不同的因子。
５、在因子分析中,因子个数需要分析者指定（spss根据一定的条件自动设定,只要是特征值大于1的因子进入分析),而指定的因子数量不同而结果不同。
数学建模方法-主成分分析和MATLAB应用
1 0.55341 0.51434 0.51538 0.4688 8 0.73562 0.71214
1
0.98793 0.9776 0.97409 0.68282 0.7 8019
1
0.98071 0.9798 0 .69735 0.77306
1
0.99235 0.6266 3 0.78718
X j e1 jY1 e2 jY2 e pjYp , Cov(Yi , X j ) ieij .
由此可得 Yi 与 Xj 的相关系数为
Yi ,X j
Cov(Yi , X j ) Var(Yi ) Var( X j )
ieij i jj
i jj
eij
24.423 36.283
36.283 56.046
49.146 75.404
3.67 47 38.718 5.0022 59.723
71.672 29.029 49.278 49.146 75.404 103.02 6.82 15 74.523
8.602 4.7846 3.629 3.6747 5.0022 6.8215 1.137 6 .7217
i* 的正
交单位特征向量。
第 i 个主成分的贡献率： i* ； p
m
i*
前 m 个主成分的累计贡献率： i1 ； p
Yi*
与
X
* i
的相关系数为
Yi*
,
X
* j
* i
ei*j
。
二、样本主成分 前面讨论的是总体主成分，但在实际问题中，一般 （或 ）是未知的，需要通
过样本来估计。设
xi ( xi1, xi 2 , ..., xip )T , i 1, 2, ..., n.
主成分分析(数学建模)
主成分分析
每个人都会遇到有很多变量的数据。
比如全国或各个地区的带有许多经济和社会变 量的数据；各个学校的研究、教学等各种变量 的数据等等。
这些数据的共同特点是变量很多，在如此多的 变量之中，有很多是相关的。人们希望能够找 出它们的少数“代表”来对它们进行描述。
本章就介绍两种把变量维数降低以便于描述、 理 解 和 分 析 的 方 法 ： 主 成 分 分 析 （ principal component analysis ） 和 因 子 分 析 （ factor analysis）。实际上主成分分析可以说是因子 分析的一个特例。在引进主成分分析之前，先 看下面的例子。
• 这里的Initial Eigenvalues就是这里的六个
主轴长度，又称特征值（数据相关阵的特
征值）。头两个成分特征值累积占了总方 差的81.142%。后面的特征值的贡献越来越 少。
• 特征值的贡献还可以从SPSS的所谓碎石图看出
Scree Plot
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
Component Number
现:
1.analyze-description statisticdescription-save standardized as variables
2.analyze-data reduction-factor 3.指定参与分析的变量 4.运行factor 过程
• 对于我们的数据，SPSS输出为
成绩数据（student.sav）
100个学生的数学、物理、化学、语文、历 史、英语的成绩如下表（部分）。
从本例可能提出的问题
目前的问题是，能不能把这个数据的6 个变量用一两个综合变量来表示呢？ 这一两个综合变量包含有多少原来的信 息呢？ 能不能利用找到的综合变量来对学生排 序呢？这一类数据所涉及的问题可以推 广到对企业，对学校进行分析、排序、 判别和分类等问题。
数学建模评价类算法
数学建模评价类算法
数学建模评价类算法有许多种，下面列举几种常见的算法：
1. 主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）：PCA是一种常用的多变量数据降维算法，它可以将高维数据映射到低维子空间，从而提取数据中的主要成分。
在数学建模中，可以利用PCA算法对数据的维度进行降维，从而减少问题的复杂度。
2. 回归分析（Regression Analysis）：回归分析是一种用来研究变量之间关系的统计方法，它可以通过拟合一个数学函数来预测和解释因变量的变化。
在数学建模中，可以利用回归分析来建立数学模型，从而预测和解释问题的特征和关系。
3. 时间序列分析（Time Series Analysis）：时间序列分析是一种用来研究时间序列数据的统计方法，它可以用来预测未来的数据趋势和周期性。
在数学建模中，可以利用时间序列分析来建立时间序列模型，从而预测和解释问题的时间变化规律。
4. 神经网络（Neural Network）：神经网络是一种模仿人脑神经元网络结构的数学模型，它可以通过训练和学习来提取和表示数据中的模式和关系。
在数学建模中，可以利用神经网络来建立复杂的映射关系，从而解决复杂的问题。
5. 遗传算法（Genetic Algorithm）：遗传算法是一种通过模拟生物进化过程来解决优化问题的算法，它通过选择、交叉和变异等操作来搜索问题的最优解。
在数学建模中，可以利用遗传
算法来优化问题的目标函数，从而找到最优解。
这些算法在数学建模中都有广泛的应用，具体选择哪种算法取决于问题的特点和要求。
同时，也可以根据不同的问题将多个算法进行组合和集成，以达到更好的建模效果。
主成分分析实用
主成分分析实用主成分分析是一种常用的数学建模方法，它可以用来降低多变量数据集的维度，同时保留最重要的信息。
在实际应用中，主成分分析具有广泛的应用，包括数据压缩、特征提取、数据可视化等领域。
本文将详细介绍主成分分析的原理和实用性。
主成分分析的原理是通过线性变换将原始数据映射到一个新的坐标系中，使得在新的坐标系中数据的方差最大化。
具体来说，主成分分析通过寻找数据集中的主成分，来解释数据的变异性。
主成分是基于输入变量之间的协方差构建的，并且在计算过程中，主成分之间是正交的。
主成分分析可以通过求解数据协方差矩阵的特征值和特征向量来实现。
主成分分析在数学建模中具有广泛的实用性。
首先，它可以用来降低数据集的维度。
对于高维数据集，主成分分析可以将数据映射到低维空间中，减少了数据的维度。
这样可以极大地简化数据分析的复杂性，同时也可以避免维度灾难的问题。
其次，主成分分析可以用来提取数据中的重要特征。
通过保留数据方差较大的主成分，主成分分析可以帮助我们剥离出数据中的噪声和冗余信息，提取出最为重要的特征。
这对于模型建立和预测分析非常重要。
此外，主成分分析还可以提供数据的可视化效果。
通过将数据集映射到二维或三维空间，我们可以更直观地观察数据之间的关系，探索数据集的结构和模式。
主成分分析的实际应用非常丰富。
在金融领域，主成分分析可以用于资产组合管理和风险管理。
通过将资产收益率数据映射到主成分空间中，我们可以更好地理解不同资产之间的相关性，从而帮助投资者进行有效的资产配置和风险控制。
在图像处理领域，主成分分析可以用于图像压缩和人脸识别。
通过将图像数据映射到主成分空间中，我们可以使用较少的主成分表示图像，从而减少图像的存储和传输成本。
同时，主成分分析还可以捕捉人脸图像的主要特征，用于人脸识别和认证。
在生物信息学领域，主成分分析可以用于基因表达数据的分析。
通过将基因表达数据映射到主成分空间中，我们可以发现不同基因在表达模式上的差异，从而探索基因的功能和调控机制。
数学建模各种分析方法
现代统计学1.因子分析(Factor Analysis)因子分析的基本目的就是用少数几个因子去描述许多指标或因素之间的联系，即将相关比较密切的几个变量归在同一类中，每一类变量就成为一个因子（之所以称其为因子，是因为它是不可观测的，即不是具体的变量），以较少的几个因子反映原资料的大部分信息。
运用这种研究技术，我们可以方便地找出影响消费者购买、消费以及满意度的主要因素是哪些，以及它们的影响力（权重）运用这种研究技术，我们还可以为市场细分做前期分析。
2.主成分分析主成分分析主要是作为一种探索性的技术，在分析者进行多元数据分析之前，用主成分分析来分析数据，让自己对数据有一个大致的了解是非常重要的。
主成分分析一般很少单独使用：a，了解数据。
(screening the data),b,和cluster analysis一起使用，c，和判别分析一起使用，比如当变量很多，个案数不多，直接使用判别分析可能无解，这时候可以使用主成份发对变量简化。
（reduce dimensionality）d,在多元回归中，主成分分析可以帮助判断是否存在共线性（条件指数），还可以用来处理共线性。
主成分分析和因子分析的区别1、因子分析中是把变量表示成各因子的线性组合，而主成分分析中则是把主成分表示成个变量的线性组合。
2、主成分分析的重点在于解释个变量的总方差，而因子分析则把重点放在解释各变量之间的协方差。
3、主成分分析中不需要有假设(assumptions),因子分析则需要一些假设。
因子分析的假设包括：各个共同因子之间不相关，特殊因子（specific factor）之间也不相关，共同因子和特殊因子之间也不相关。
4、主成分分析中，当给定的协方差矩阵或者相关矩阵的特征值是唯一的时候，的主成分一般是独特的；而因子分析中因子不是独特的，可以旋转得到不同的因子。
5、在因子分析中，因子个数需要分析者指定（spss根据一定的条件自动设定，只要是特征值大于1的因子进入分析），而指定的因子数量不同而结果不同。
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• 对于我们的数据，SPSS输出为 对于我们的数据，SPSS输出为
Total Variance Explained Initial Eigenvalues Component Total % of Variance Cumulative % 1 3.735 62.254 62.254 2 1.133 18.887 81.142 3 .457 7.619 88.761 4 .323 5.376 94.137 5 .199 3.320 97.457 6 .153 2.543 100.000 Extraction Method: Principal Component Analysis. Extraction Sums of Squared Loadings Total % of Variance Cumulative % 3.735 62.254 62.254 1.133 18.887 81.142
主 成 分 分 析
汇报什么？ 汇报什么？
假定你是一个公司的财务经理，掌握了公司的 所有数据，比如固定资产、流动资金、每一笔 借贷的数额和期限、各种税费、工资支出、原 料消耗、产值、利润、折旧、职工人数、职工 的分工和教育程度等等。 如果让你向上面介绍公司状况，你能够把这些 指标和数字都原封不动地摆出去吗？ 当然不能。 你必须要把各个方面作出高度概括，用一两个 指标简单明了地把情况说清楚。
Component Matrix
a
Component 1 2 3 4 MATH -.806 .353 -.040 .468 PHYS -.674 .531 -.454 -.240 CHEM -.675 .513 .499 -.181 LITERAT .893 .306 -.004 -.037 HISTORY .825 .435 .002 .079 ENGLISH .836 .425 .000 .074 Extraction Method: Principal Component Analysis. a. 6 components extracted. 5 .021 -.001 .002 .077 -.342 .276 6 .068 -.006 .003 .320 -.083 , x 3 , x 4 , x 5 , x6 分 别 表 示 原 先 的 六 个 变 量 ， 而 用 y 1 , y 2 , y 3 , y 4, y 5 , y 6 表 示 新 的 主 成 分 ， 那 么 ， 原 先 六 个 变 量 的关系为： x1,x2,x3,x4,x5,x6与第一和第二主成分y1,y2的关系为： X1=-0.806y1 + 0.353y2 353y X2=-0.674y1 + 0.531y2 531y X3=-0.675y1 + 0.513y2 513y X4= 0.893y1 + 0.306y2 306y x5= 0.825y1 + 0.435y2 435y x6= 0.836y1 + 0.425y2 425y • 这些系数称为主成分载荷 （ loading） ， 它表示主成分和相应 这些系数称为主成分载荷（ ） 的原先变量的相关系数。 的原先变量的相关系数。 • 比如 1 表示式中 1 的系数为 比如x 表示式中y 的系数为-0.806， 这就是说第一主成分和数 ， 学变量的相关系数为-0.806。 学变量的相关系数为 。 • 相关系数 绝对值 ） 越大 ， 主成分对该变量的代表性也越大 。 相关系数(绝对值 越大，主成分对该变量的代表性也越大。 绝对值） 可以看得出，第一主成分对各个变量解释得都很充分。 可以看得出，第一主成分对各个变量解释得都很充分。而最后 的几个主成分和原先的变量就不那么相关了。 的几个主成分和原先的变量就不那么相关了。
Scree Plot
4
3
2
Eigenvalue
1
0 1 2 3 4 5 6
Component Number
• 怎么解释这两个主成分。前面说过主成分 怎么解释这两个主成分。 是原始六个变量的线性组合。 是原始六个变量的线性组合。是怎么样的 组合呢？SPSS可以输出下面的表。 可以输出下面的表 组合呢？SPSS可以输出下面的表。
• 这里每一列代表一个主成分作为原来变量线性组 合的系数（比例） 比如第一主成分作为数学、 合的系数（比例）。比如第一主成分作为数学、 物理、化学、语文、历史、 物理、化学、语文、历史、英语这六个原先变量 的线性组合， 系数（ 比例） 的线性组合 ， 系数 （ 比例 ） 为 -0.806, -0.674, 0.675, 0.893, 0.825, 0.836。 。
主成分分析
例中的的数据点是六维的；也就是说，每个观 测值是6维空间中的一个点。我们希望把6维空 间用低维空间表示。 先假定只有二维，即只有两个变量，它们由横 坐标和纵坐标所代表；因此每个观测值都有相 应于这两个坐标轴的两个坐标值；如果这些数 据形成一个椭圆形状的点阵（这在变量的二维 正态的假定下是可能的） 那么这个椭圆有一个长轴和一个短轴。在短轴 方向上，数据变化很少；在极端的情况，短轴 如果退化成一点，那只有在长轴的方向才能够 解释这些点的变化了；这样，由二维到一维的 降维就自然完成了。
二、几何解释
y2 x2 y1
x1
y1 = x1 cosθ + x2 sinθ y2 = − x1 sinθ + x2 cosθ y1 cosθ sinθ x1 y = − sinθ cosθ x 2 2
主成分分析
正如二维椭圆有两个主轴，三维椭球有三 个主轴一样，有几个变量，就有几个主成 分。 选择越少的主成分，降维就越好。什么是 标准呢？那就是这些被选的主成分所代表 的主轴的长度之和占了主轴长度总和的大 部分。有些文献建议，所选的主轴总长度 占所有主轴长度之和的大约85%即可， 其实，这只是一个大体的说法；具体选几 个，要看实际情况而定。
主成分分析
每个人都会遇到有很多变量的数据。 比如全国或各个地区的带有许多经济和社会变 量的数据；各个学校的研究、教学等各种变量 的数据等等。 这些数据的共同特点是变量很多，在如此多的 变量之中，有很多是相关的。人们希望能够找 出它们的少数“代表”来对它们进行描述。 本章就介绍两种把变量维数降低以便于描述、 理解和分析的方法：主成分分析（principal component analysis ） 和 因 子 分 析 （ factor analysis）。实际上主成分分析可以说是因子 分析的一个特例。在引进主成分分析之前，先 看下面的例子。
• 这里的Initial Eigenvalues就是这里的六个 这里的 就是这里的六个 主轴长度， 又称特征值（ 主轴长度 ， 又称特征值 （ 数据相关阵的特 征值） 征值 ） 。 头两个成分特征值累积占了总方 差的81.142%。后面的特征值的贡献越来越 差的 。 少。
• 特征值的贡献还可以从 特征值的贡献还可以从SPSS的所谓碎石图看出 的所谓碎石图看出
Spss实现: 1.analyze-description statisticdescription-save standardized as variables 2.analyze-data reduction-factor 3.指定参与分析的变量 指定参与分析的变量 4.运行 运行factor 过程 运行
成绩数据（ 成绩数据（student.sav） ）
100个学生的数学、物理、化学、语文、历 史、英语的成绩如下表（部分）。
从本例可能提出的问题
目前的问题是，能不能把这个数据的6 个变量用一两个综合变量来表示呢？ 这一两个综合变量包含有多少原来的信 息呢？ 能不能利用找到的综合变量来对学生排 序呢？这一类数据所涉及的问题可以推 广到对企业，对学校进行分析、排序、 判别和分类等问题。