主成分分析原理及详解
主成分分析法原理
主成分分析法原理
主成分分析法是一种常用的降维技术，可以用来发现数据中最重要的模式和关系。
其原理是通过线性变换将原始数据映射到一个新的坐标系统中，新坐标系的选择是按照数据方差最大的优先原则进行的。
换句话说，主成分分析法试图找到能够最大程度解释原始数据方差的一组新的变量，这些新变量称为主成分。
在主成分分析中，第一主成分是能够最大程度解释原始数据方差的变量。
第二主成分则是在第一主成分已经解释了最大方差后，能够解释剩余方差最大的变量。
依此类推，可以得到一系列依次解释方差递减的主成分。
主成分分析的关键思想是将原始数据转化为一组新的变量，使得这些新变量之间相互独立，并且每个新变量都能够最大程度地解释数据方差。
通过将数据映射到新的坐标系中，主成分分析可以有效地降低数据的维度，减少不必要的冗余信息。
主成分分析法在数据处理和分析中广泛应用，例如在多变量统计分析、模式识别、数据可视化等领域。
它可以帮助我们得到更简洁、更具有解释性的数据表示，提取出隐藏在数据背后的重要特征和规律，为后续分析和决策提供有效支持。
统计学中的主成分分析
统计学中的主成分分析主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）是一种多变量分析方法，用于降维和数据可视化。
它通过将原始数据转换为新的坐标系，使得转换后的数据能够保留原始数据的主要变化趋势，并且可以按照重要性进行排序。
在本文中，将介绍主成分分析的原理、应用场景和步骤。
一、主成分分析原理主成分分析的核心是寻找数据中的主要变化趋势，即找到数据中的主成分。
主成分是数据最大方差方向上的投影，也即是能够解释数据中最大不同的变量。
对于一个具有p个变量的数据集，主成分分析可以得到p个主成分，按照重要性递减排序。
通过选择适当数量的主成分，可以实现对数据的降维和可视化。
主成分分析的计算过程可以通过特征值分解或奇异值分解来实现。
特征值分解会得到数据的特征向量和特征值，而奇异值分解则可以直接得到主成分。
在实际应用中，奇异值分解是更常用的方法。
二、主成分分析的应用场景主成分分析广泛应用于各个领域，包括金融、生物学、社会科学等。
下面将介绍主成分分析在这些领域的具体应用。
1. 金融：主成分分析常用于资产组合管理和风险管理。
通过将各种金融数据进行主成分分析，可以获得具有代表性的主成分，从而有效降低资产组合的维度，减少投资组合中的相关风险。
2. 生物学：主成分分析可以应用于基因表达数据的分析。
通过主成分分析，可以从大量的基因表达数据中提取出基因表达的主要变化趋势，帮助研究人员理解基因与表型之间的关系。
3. 社会科学：主成分分析可以用于社会调查数据的分析。
通过对调查数据进行主成分分析，可以发现不同变量之间的相关性，进而揭示不同因素对于社会问题的影响程度。
三、主成分分析的步骤主成分分析的步骤通常包括以下几个步骤：1. 数据标准化：对原始数据进行标准化处理，将不同量级的变量转化为标准差为1的变量。
这一步骤是为了消除变量间的量纲差异。
2. 计算协方差矩阵：根据标准化后的数据计算协方差矩阵，用于度量变量之间的相关性。
主成分分析法及其应用
主成分分析法及其应用一、本文概述主成分分析法（Principal Component Analysis，简称PCA）是一种广泛应用于数据降维和特征提取的统计方法。
它通过正交变换将原始数据集中的多个变量转换为少数几个互不相关的主成分，这些主成分能够最大程度地保留原始数据集中的信息。
本文旨在全面介绍主成分分析法的基本原理、实现步骤以及在各个领域中的应用案例。
我们将详细阐述主成分分析法的数学基础和算法流程，包括协方差矩阵、特征值、特征向量等关键概念的计算方法。
然后，我们将通过实例演示如何使用主成分分析法进行数据降维和特征提取，以及如何通过可视化工具展示降维后的数据效果。
我们将探讨主成分分析法在机器学习、图像处理、生物信息学、社会科学等多个领域中的实际应用，展示其在数据分析和处理中的重要价值和潜力。
二、主成分分析法的基本原理主成分分析法（Principal Component Analysis，简称PCA）是一种在多个变量中找出主要影响因素，并通过降维技术把多个变量转化为少数几个互不相关的综合变量的统计方法。
这种方法在保持数据信息损失最小的原则下，通过正交变换将原始数据转化为一个新的坐标系统，使得在这个新的坐标系统中，任何数据的最大方差都投影在第一主成分上，第二大的方差都投影在第二主成分上，以此类推。
变量降维：在多数情况下，原始数据集中可能存在多个变量，这些变量之间可能存在相关性。
主成分分析通过构造新的变量（即主成分），这些新变量是原始变量的线性组合，并且新变量之间互不相关，从而将原始的高维数据空间降维到低维空间，实现数据的简化。
方差最大化：主成分分析的另一个重要原理是方差最大化。
这意味着，第一个主成分将捕获数据中的最大方差，第二个主成分捕获第二大方差，以此类推。
通过这种方式，主成分分析能够识别出数据中的主要变化方向和模式。
数据解释性：主成分分析生成的主成分是对原始数据的线性变换，因此，每个主成分都可以被解释为原始变量的某种组合。
主成分分析的原理与方法
主成分分析的原理与方法主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）是一种常用的降维技术，用于数据的降维和特征提取。
它通过线性变换将原始数据映射到新的特征空间，使映射后的数据在新的特征空间中具有最大的方差。
一、主成分分析的原理主成分分析的核心思想是将高维数据映射到低维空间，同时保留最重要的信息。
具体而言，将原始数据映射到新的特征空间后，希望得到的新特征具有以下特性：1. 最大化方差：在新的特征空间中，希望找到使数据方差最大化的方向。
这样做的目的是将数据的主要变化方向保留下来，有利于更好地区分不同的样本。
2. 无相关性：希望得到的新特征之间是相互独立的，即它们之间没有任何相关性。
这样可以减少数据中的冗余信息，提取出更具代表性的特征。
二、主成分分析的方法主成分分析通常分为以下几个步骤：1. 标准化数据：由于主成分分析是基于数据的协方差矩阵进行计算的，所以首先需要将数据进行标准化处理，使各个维度的数据具有相同的尺度。
2. 计算协方差矩阵：通过计算标准化后的数据的协方差矩阵，可以得到各个维度之间的相关性。
3. 计算特征值和特征向量：对协方差矩阵进行特征值分解，可以得到特征值和对应的特征向量，其中特征值表示对应特征向量方向上的方差。
4. 选择主成分：根据特征值的大小，选择方差解释最大的前k个特征向量作为主成分。
5. 数据映射：将原始数据映射到选择的主成分上，得到降维后的数据。
三、主成分分析的应用主成分分析在数据分析和特征工程中有广泛的应用，可以用于数据降维、数据可视化和去除数据冗余等方面。
1. 数据降维：主成分分析可以将高维数据映射到低维空间，减少数据的维度，降低计算复杂度，并且保留了大部分的数据信息。
2. 数据可视化：通过将数据映射到二维或三维空间，可以将高维数据可视化，更好地观察数据的分布和结构。
3. 特征提取：主成分分析可以提取出数据中最具代表性的特征，对于后续的模型建立和训练有重要的意义。
主成分分析法原理及应用
主成分分析法原理及应用主成分分析的基本思想是将高维数据转化为一个新的低维坐标系，新的坐标系由特征向量构成。
特征向量是通过对数据矩阵进行特征值分解得到的，每一个特征向量都代表数据的一个主成分，同时也代表了原始数据在该主成分上的投影。
通过选择前N个主成分，可以将原始数据的维度从D维降低到N维。
1.对原始数据进行标准化处理，即将每个维度上的数据减去其均值并除以标准差；2.构建数据的协方差矩阵；3.对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征向量和特征值；4.将特征值按降序排列，选择前N个特征向量作为主成分。
1.数据降维：主成分分析可以将高维数据降低到低维空间中，从而减少数据的维度。
这对于处理高维数据而言非常重要，可以减少计算复杂度，并且有助于解决维度灾难问题。
2.特征提取：主成分分析可以通过选择前N个主成分来提取最具代表性的特征。
这对于处理大规模数据集、挖掘数据的基本模式和结构非常有用。
3.数据可视化：主成分分析可以将多维数据映射到二维或三维的空间中。
这样做可以简化数据的可视化和分析过程，帮助人们更好地理解数据的结构和关系。
4.噪声过滤：主成分分析可以通过去除数据的主成分中的低方差部分来剔除数据中的噪声。
这对于提高数据质量和预测性能非常有帮助。
5.数据预处理：主成分分析可以用于数据的预处理，比如去除冗余特征、去除缺失值等。
通过去除无关和缺失的特征，可以提高后续分析的准确性和效率。
总之，主成分分析是一种非常实用的数据分析技术。
它可以帮助人们更好地理解数据的结构和关系，并从中提取有用的信息。
在实际应用中，人们可以根据具体的需求和问题选择适当的主成分数目，以获得最佳的结果。
主成分分析完整版
主成分分析完整版一、主成分分析的原理1.标准化数据：先对原始数据进行标准化处理，以确保不同变量的尺度一致。
2.计算协方差矩阵：对标准化后的数据计算协方差矩阵，矩阵中的元素表示不同变量之间的相关性。
3.计算特征值和特征向量：对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值和对应的特征向量。
4.选择主成分：按照特征值的大小选择最重要的k个特征值和它们对应的特征向量，称之为主成分。
5.数据转换：将原始数据投影到选取的主成分上，得到降维后的数据。
二、主成分分析的方法1.方差解释比：主成分分析通过特征值展示了每个主成分的重要性。
方差解释比是计算每个主成分的方差所占总方差的比例。
选择解释总方差的比例较高的主成分，可以保留更多的信息。
2.累计方差解释比：累计方差解释比是计算前n个主成分的方差解释比之和。
通过选择累计方差解释比较高的主成分，可以保留更多的原始数据信息。
3.维度选择：主成分分析可以通过选择合适的主成分数来实现数据降维。
通过观察特征值的大小和累计方差解释比，可以选择合适的主成分数。
三、主成分分析的应用1.数据可视化：主成分分析可以将高维度的数据转换为低维度的数据，从而方便可视化。
通过在二维或三维空间中绘制主成分，可以更好地理解数据的分布和关系。
2.特征提取：主成分分析可以提取数据中的最重要特征，从而减少数据维度并保留主要信息。
特征提取可以在分类、聚类等问题中提高算法的效果。
3.数据压缩：主成分分析可以将高维度的数据压缩为低维度的数据，从而节省存储空间和计算时间。
压缩后的数据可以用于后续分析和处理。
4.噪音过滤：主成分分析通过保留数据中最重要的特征，可以减少噪音的影响。
通过滤波后的数据可以提高实验测量的准确性和稳定性。
综上所述，主成分分析是一种强大的数据降维技术，可以在许多领域中应用。
熟悉主成分分析的原理、方法和应用，对于理解数据和提升数据分析的能力具有重要意义。
PCA(主成分分析)的原理与应用
PCA(主成分分析)的原理与应用简介主成分分析（PCA）是一种常用的多变量数据降维技术，用于发现数据中的主要模式与关系。
通过PCA，可以将高维数据转换为低维表示，从而减少计算复杂度、去除冗余信息、提取关键特征等。
本文将介绍PCA的基本原理和常见的应用场景。
1. PCA的基本原理PCA的基本思想是通过线性变换将原始数据投影到新的坐标系中，新的坐标系由一组互相正交的基向量构成。
这些基向量被称为主成分，每个主成分都是原始数据的一个线性组合。
通过保留最重要的主成分，可以实现数据降维。
1.1 数据标准化在应用PCA之前，通常需要对原始数据进行标准化处理。
标准化可以使不同特征的数据具有相同的尺度，避免某些特征对PCA结果的影响过大。
常见的标准化方法有均值方差标准化和最大最小值标准化。
1.2 协方差矩阵与特征值分解PCA的核心是通过计算协方差矩阵来确定主成分。
协方差矩阵反映了不同维度之间的相关性。
通过对协方差矩阵进行特征值分解，可以得到特征值和特征向量。
特征值表示了数据在对应特征向量方向上的方差，特征向量则表示了变换后的坐标系中各维度的方向。
1.3 选择主成分在进行特征值分解后，主成分的选择是根据特征值的大小进行的。
通常保留较大的特征值对应的特征向量作为主成分，因为这些特征值表示了数据的主要变化模式。
1.4 重构数据通过选取主成分，可以将原始数据投影到新的坐标系中。
重构数据可以通过将原始数据乘以选取的主成分对应的特征向量来实现。
2. PCA的应用场景PCA有广泛的应用场景，以下列举一些常见的应用领域。
2.1 降维与特征选择在高维数据中，存在大量冗余和噪音信息。
通过使用PCA，可以将高维数据降低到较低的维度，并保留重要的特征，从而提高数据的表示效果和计算效率。
2.2 数据压缩与图像处理PCA在数据压缩和图像处理中也有广泛的应用。
通过PCA，可以用较少的数据表示信息量较大的图像，从而实现图像的压缩和存储。
同时，还可以对图像进行去噪、增强和特征提取等操作。
主成分分析原理及详解
主成分分析原理及详解PCA的原理如下：1.数据的协方差矩阵：首先计算原始数据的协方差矩阵。
协方差矩阵是一个对称矩阵，描述了不同维度之间的相关性。
如果两个维度具有正相关性，协方差为正数；如果两个维度具有负相关性，协方差为负数；如果两个维度之间没有相关性，协方差为0。
2.特征值分解：对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量。
特征值表示该特征向量对应的主成分的方差大小。
特征向量表示数据中每个维度的贡献程度，也即主成分的方向。
3.选择主成分：根据特征值的大小选择前k个主成分，使其对应的特征值之和占总特征值之和的比例达到预定阈值。
这些主成分对应的特征向量构成了数据的新基。
4.数据映射：将原始数据投影到新基上，得到降维后的数据。
投影的方法是将数据点沿着每个主成分的方向上的坐标相加。
PCA的步骤如下：1.数据预处理：对原始数据进行预处理，包括去除均值、缩放数据等。
去除均值是为了消除数据的绝对大小对PCA结果的影响；缩放数据是为了消除数据在不同维度上的量纲差异。
2.计算协方差矩阵：根据预处理后的数据计算协方差矩阵。
3.特征值分解：对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量。
4.选择主成分：根据特征值的大小选择前k个主成分，其中k是满足预设的方差百分比的最小主成分数量。
5.数据映射：将原始数据投影到前k个主成分上，得到降维后的数据。
PCA的优缺点如下：2.缺点：PCA是一种线性方法，无法处理非线性数据；PCA对异常值敏感，可能会导致降维后的数据失去重要信息；PCA的解释性较差，不易解释主成分和原始数据之间的关系。
综上所述，PCA是一种常用的数据降维方法，通过保留数据的最大方差，将高维数据映射到低维空间。
它的原理基于协方差矩阵的特征值分解，步骤包括数据预处理、计算协方差矩阵、特征值分解、选择主成分和数据映射。
PCA具有很多优点，如无监督学习、重要特征提取和数据压缩等，但也存在一些缺点，如无法处理非线性数据和对异常值敏感。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第14章主成分分析
1 概述
1.1 基本概念
1.1.1 定义
主成分分析是根据原始变量之间的相互关系，寻找一组由原变量组成、而彼此不相关的综合变量，从而浓缩原始数据信息、简化数据结构、压缩数据规模的一种统计方法。
1.1.2 举例
为什么叫主成分，下面通过一个例子来说明。
假定有N 个儿童的两个指标x1与x2，如身高和体重。
x1与x2有显著的相关性。
当N较大时，N观测量在平面上形成椭圆形的散点分布图，每一个坐标点即为个体x1与x2的取值，如果把通过该椭圆形的长轴取作新坐标轴的横轴Z1，在此轴的原点取一条垂直于Z1的直线定为新坐标轴的Z2，于是这N个点在新坐标轴上的坐标位置发生了改变；同时这N个点的性质也发生了改变，他们之间的关系不再是相关的。
很明显，在新坐标上Z1与N个点分布的长轴一致，反映了N个观测量个体间离差的大部分信息，若Z1反映了原始数据信息的80%，则Z2只反映总信息的20%。
这样新指标Z1称为原指标的第
358
一主成分，Z2称为原指标的第二主成分。
所以如果要研究N个对象的变异，可以只考虑Z1这一个指标代替原来的两个指标（x1与x2），这种做法符合PCA提出的基本要求，即减少指标的个数，又不损失或少损失原来指标提供的信息。
1.1.3 函数公式
通过数学的方法可以求出Z1和Z2与x1与x2之间的关系。
Z1=l11x1+ l12x2
Z2=l21x1+ l22x2
即新指标Z1和Z2是原指标x1与x2的线性函数。
在统计学上称为第一主成分和第二主成分。
若原变量有3个，且彼此相关，则N个对象在3维空间成椭圆球分布，见图14-1。
通过旋转和改变原点（坐标0点），就可以得到第一主成分、第二主成分和第三主成分。
如果第二主成分和第三主成分与第一主成高度相关，或者说第二主成分和第三主成分相对于第一主成分来说变异很小，即N个对象在新坐标的三维空间分布成一长杆状时，则只需用一个综合指标便能反映原始数据中3个变量的基本特征。
359
1.2 PCA满足条件
1.2.1 一般条件
一般来说，N个对象观察p个指标，可以得到N*p个数据（矩阵）。
只要p个指标之间存在有相关关系，就可以通过数学的方法找到一组新的指标，它们需要满足的条件如下。
（1）Z i是原指标的线性函数，且它们相互垂直；
（2）各个Z i互不相关；
（3）各个Z i加起来提供原指标所含的全部的信息，且Z1提供信息最多，Z2次之，依次类推。
1.2.2 PCA的一般步骤
（1）输入或打开数据文件；
（2）数据进行标准化处理；
（3）计算矩阵的相关系数；
（4）求相关矩阵的特征根λ1、λ2、λ3，并将它们按大小排序。
（5）求特征向量和各主成分；
（6）计算各主成分的贡献率；
（7）解释各主成分的含义
上述的步骤大部分由SPSS执行，用户需要选择观测对象、选择变量，收集数据，将数据输入SPSS程序，最后选择需要多少个主成分，解释各主成分的实际意义。
1.3 SPSS运行主要选择项
1.3.1 操作步骤
Analyzes/data reduction/factor/open factor analyzes/对话框，主要有5个对话框，下面简要介绍。
因子分析主对话框。
主要用来选择变量、选择输出结果内容和多少、选择PCA有关
360
数学处理如是否旋转，提取多少个因子数，是否保存各个因子得分等。
●Factor Analysis：因子分析；
●Descriptive：描述性统计选项；
●Extraction：提取因子选项；
●Rotation：旋转选择；
●Scores：因子得分选项；
●Option：其它选项。
1.3.2 主对话框
1.3.3 Descriptive对话框
●Statistics：统计数据
◆Univariate descriptive：单变量描述性统计；
◆Initial solution：初始解的统计量。
●Correlation matrix：相关矩阵
◆Coeffcients：相关系数矩阵。
◆Inverse：相关系数矩阵逆矩阵。
◆Significance levels：相关系数显著性水平。
◆Reproduced：再生相关矩阵。
给出因子分析后的相关矩阵。
361
1.3.4 Extraction method 提取公因子方法
●Method：方法
◆Principal components analyze：主成分分析
◆Unweight least squares：未加权最小二乘法
◆Generalized least squares：广义最小二乘法●Analysis：分析
◆Coeffcients matrix：相关系数矩阵。
◆Covariance matrix：协方差矩阵。
●Display：显示
362
◆Unrotated factor solution：非旋转因子解。
◆Screen plot of the eigenvalues：特征值碎石图。
●Extract：提取。
◆Eigenvalues over 1：系统默认值是1，表示提取特征值大于1的因子。
◆Number of factor 2：提取公因子的个数。
理论上有多少个因子
1.3.5 Rotation method 旋转方法对话框
●Method：方法
◆None：不进行旋转
◆Quartimax：四分位最大正交旋转
◆Varimax：方差最大正交旋转。
◆Equamax：相等最大正交旋转。
●Display：显示
◆Rotation solution：旋转解。
◆Loading plots：旋转因子空间的载荷图。
1.3.6 Scores 因子得分对话框
●Save as variables：将因子得分数据存入为新变量。
◆Regression：用回归法计算因子得分。
363
◆Bartlett：巴特尼特法计算因子得分。
◆Anderso-rubin，Anderso-rubin：法计算因子得分。
●Dispaly factor score coefficient matrx，显示因子得分系数矩阵。
1.3.7 Option对话框
●Missing Values：缺失值处理
●Exclude cases list wise：删除全部缺省值的个案。
●Exclude cases pair wise：成对删除含有缺省值的个案。
●Replace with mean：用均值替代缺省值。
●Coefficient display format 因子得分系数矩阵的显示格式。
●Sorted by size：按大小排列。
●回到主对话框上。
Variables：选择左边变量栏中的变量，用箭头键将要分析的变
量移入右边的变量栏。
准备分析。
例如移入身高、体重。
364
Selection Variable：选择变量窗口。
在该窗口输入变量名（case），则因子分析只对有关case对应的变量进行分析。
单击右边Value窗口打开Set Value对话框。
输入数值作为指定值。
单击continue，返回主对话框。
见下图
365。