非负矩阵分解方法综述
NMF综述报告

人脸识别的非负矩阵分解(NMF)方法文献综述摘要:人类对整体的感知是基于对部分的感知,NMF(非负矩阵分解,Non-negative matrix factorization)的思想正是源于此。
通过对矩阵分解因子加入了非负性约束,使得对高维非负原始数据矩阵的分解结果不存在负值,且具有一定的稀疏性,因而得到了相对低维、纯加性、拥有一定稀疏特性的分解结果。
与PCA(主成分分析,principal components analysis)等传统人脸识别方法相比,NMF的基图像就是人脸的各个局部特征,并且通过对经典算法的一系列优化,改进的NMF算法的识别率和鲁棒性较传统方法有着显著优势。
此外,NMF在机器学习、语义理解等领域也有着重要应用。
关键词:非负矩阵分解(NMF)稀疏性改进的NMF 语义理解一、引言在实际中的许多数据都具有非负性,而现实中对数据的处理又要求数据的低秩性经典的数据处理方法一般不能够确保非负性的要求,如何找到一个非负的低秩矩阵来近似原数据矩阵成为一个关键问题。
在这样的背景下,NMF方法应运而生。
NMF方法思想最早可以追溯到由Paatero和Tapper在1994年提出的正矩阵分解(Positive Matrix Factorization,PMF)[1];此后1999年,Lee和Seung提出了一个以广义KL散度为优化目标函数的基本NMF模型算法,并将其应用于人脸图像表示[2];2001年,Lee和Seung通过对基本NMF算法进行深入研究,又提出了两个经典的NMF算法,即基于欧氏距离测度的乘性迭代算法和基于广义KL散度的乘性迭代算法,并给出了收敛性证明[3],这两种算法称为NMF方法的基准算法,广泛应用于各个领域。
但是在实际应用中,由于经典的基准NMF算法存在收敛速度较慢,未利用统计特征,对光线、遮挡等敏感,以及无法进行增量学习等问题,各种改进的NMF算法被提出。
其中包括Lin提出的基于投影梯度(Projected Gradient,PG)的NMF方法[3],该方法有着很高的分解精度;Berry提出的基于投影非负最小二乘(Projected Non-negative Least Square,PNLS)的NMF方法[5],通过这种方法得到的基矩阵的稀疏性、正交性叫基准NMF方法都更好;此外还有牛顿类方法[6]和基于有效集[7]的NMF方法等。
非负矩阵分解算法

非负矩阵分解算法
1 非负矩阵分解
非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization,NMF)是
一种特殊的矩阵分解,它采用的分解维度包含非负的值。
NMF的定义是这样的:给定一个m阶n列非负矩阵A,有k非负数,将其分解成两个
m阶n列非负矩阵W和H,使得:A = WH.NMF可以应用于许多不同领域,包括信号处理、数据挖掘、图像处理、信息检索、自然语言处理等领域。
2 优点
非负矩阵分解具有许多优点:首先,非负矩阵分解有着很明显的
几何解释,可以用于多维数据挖掘,聚类和可视化。
其次,它的算法
本身不需要依赖于边界条件和/或初始条件,算法具有高度稳定性,用
于提取潜在信息特征,例如隐藏结构、主题、技能、现象等。
此外,
非负矩阵分解可以用较少的计算消耗从较大的数据集中提取有用的特征,从而降低空间需求并提高运行效率。
3 应用
非负矩阵分解的应用较广泛,在数据挖掘领域可用于高维数据降维、高维数据可视化、文本挖掘、模式挖掘以及聚集分析等方面。
在
信号处理方面,NMF可以用来提取信号中的有效信息,从而获得必要信息。
此外,NMF也可以用于表示图像并对其进行分类。
在自然语言处
理(Natural Language Processing)领域,NMF可以把文本表示成主题,以帮助文本分类、信息检索和在线推荐等任务。
4 结论
可以看出,非负矩阵分解在数据挖掘和信号处理等多领域具有重要的应用价值,特别是其几何解释、算法稳定性以及计算代价等众多优势的共同作用。
然而,NMF的应用还有待更多的研究,才能令它登上数据挖掘技术的高峰,为社会带来更多的发展。
nmf的名词解释

nmf的名词解释引言在当今信息爆炸的时代,我们对于各种新概念和技术的了解变得非常重要。
本文将重点解释NMF,即非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization)的含义和应用。
希望通过深入探讨这一概念,能够让读者对于该技术有一个全面而清晰的认识。
一、什么是NMF?非负矩阵分解是一种在数据挖掘和机器学习领域常用的技术。
它可以将一个非负矩阵分解为两个非负矩阵的乘积。
换句话说,给定一个非负矩阵V,NMF的目标是找到两个非负矩阵W和H,使得它们的乘积W*H近似等于V。
其中,W被视为一组基向量,H则表示基向量在该矩阵上的线性组合。
二、NMF的原理和优势NMF的原理基于独立成分分析(Independent Component Analysis)和低秩分解(Low-Rank Decomposition)。
通过将非负矩阵分解为低秩的非负部分和非负权重系数,我们能够更好地理解数据中的隐藏模式和因素。
NMF的优势在于它能够提取出数据的局部特征,而不受全局线性关系的限制。
这意味着NMF可以捕捉到一些难以用其他方法表示的非线性关系,从而更好地挖掘数据的内在结构。
三、NMF的应用领域1. 文本挖掘在文本挖掘中,NMF可以帮助我们从大量的文本数据中提取主题信息。
通过将文档-词频矩阵进行NMF分解,我们可以发现文本集合中隐藏的主题结构,并识别关键词,从而实现文本分类和聚类等任务。
2. 图像处理NMF在图像处理领域也有广泛的应用。
它可以帮助我们提取图像的基础元素,如边缘、纹理等。
通过NMF分解得到的基向量,我们可以进行图像重构、图像压缩和图像分割等任务,从而改善图像处理的效果和质量。
3. 音频处理在音频处理方面,NMF可以用来分离复杂的音频信号。
通过将混合的音频信号矩阵进行NMF分解,我们可以恢复出原始信号的成分,从而实现音频去噪、音频源分离等任务。
4. 社交网络分析由于社交网络的庞大和复杂性,NMF可以帮助我们从海量的社交网络数据中发现用户群体和社区结构。
非负矩阵因子分解算法

非负矩阵因子分解算法非负矩阵因子分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)是一种常用的非负矩阵分解技术,它在许多领域中都得到广泛应用。
NMF的目的是将一个非负矩阵分解为两个非负的低秩矩阵,从而提取出矩阵的潜在特征。
在NMF中,给定一个非负矩阵V,我们希望找到两个非负矩阵W和H,使得V≈W×H,其中W是一个m×r的非负矩阵,H是一个r×n的非负矩阵,r是预先设定的秩。
W和H都是非负的这个约束使得NMF能够提取出不具有线性线性相关性的特征。
NMF的优化问题可以定义为最小化目标函数:min||V - WH||,其中||.||表示矩阵的F范数为了求解这个优化问题,可以使用迭代的方法逐步优化W和H。
具体来说,首先初始化W和H为非负矩阵,然后交替更新W和H,直到满足终止条件。
1.初始化W和H为非负矩阵,可以使用随机值或者根据先验知识给定的初值。
2.更新W:固定H,通过最小化目标函数得到最优的W。
2.1计算乘法更新规则:W = W * (VH^T) / (WHH^T)2.2对W进行非负约束处理,将所有小于0的元素置为0。
3.更新H:固定W,通过最小化目标函数得到最优的H。
3.1计算乘法更新规则:H = H * (W^TV) / (W^TWH)3.2对H进行非负约束处理,将所有小于0的元素置为0。
4.判断终止条件,可以设置迭代次数上限或者设定一个阈值,当目标函数下降到一定程度或者迭代次数达到上限时,停止迭代。
5.重复步骤2和3,直到满足终止条件。
NMF的优点是提取到的特征是非负的,因此可以应用于文本挖掘、图像处理和声音信号处理等领域。
此外,NMF还具有良好的可解释性,因为W和H可以看作是每个特征在样本中的贡献度和每个样本在特征上的表示。
然而,NMF也存在一些局限性。
首先,NMF是一个非凸优化问题,因此可能会陷入局部最优解。
其次,NMF对初始值较为敏感,不同的初始值可能会导致不同的结果。
(完整word版)文献综述部分参考写法

非负矩阵分解文献综述一、国内外研究现状近年来,技术传感器技术和计算机硬件的发展导致数据量的增加,许多经典数据分析工具被迅速压倒.因为信息采集设备只有有限的带宽,收集到的数据并不经常准确.其次,在很多情况下,从复杂现象观察到的数据,其往往代表几个相互关联的变量共同作用的综合结果。
当这些变量更少的精确定义时,在原始数据中包含的实际信息往往是重叠的、模糊的.为了处理这些海量数据,科学家产生了新的关注。
1999年,在刊物Nature上,Daniel Lee 和Sebastian Seung开始的一系列新的NMF的研究,数以百计的论文引用Lee 和Seung的论文,但一些较不为人知的事实是,在Lee 和Seung 的论文发表之前,Pentti Paatero开始了相关的工作. 虽然Lee和Seung引用Paatero的论文,Lee和Seung将Paatero的工作称为正矩阵分解,然而,Paatero的工作很少被后来的作者所引用。
这是因为Paatero将其工作称为正矩阵分解,这是误导Paatero创建NMF算法.实际上Paatero年前发表了他最初的分解算法[1]。
2005年,Lin为了加速Lee和Seung的NMF迭代算法的收敛速度,最近提出使用投影梯度有约束的优化方法[2],该方法与标准的(乘法更新规则)的方法相比,计算似乎有更好的收敛性.使用某些辅助约束,可以降低分解有约束的优化假设,降低投影梯度方法的局限性。
2007年,V。
Blondel等对标准NMF算法进行了加权改进,提出了加权NMF方法[3]。
通过加权,更好的表述了数据中的重要区域。
其加权方法是:首先,定义数据中的重要区域,然后,在优化过程中,如果在该重要区域中重建错误,就给他分配更多的权重.国内对NMF的研究相对开始的较晚。
2001 年,原微软中国研究院的李子青博士、张宏江博士等人发现Lee和Seung提出的经典NMF算法在人脸图像未得到配准的情况下,不能学习得到人脸的部件。
非负矩阵分解算法综述

E U W#iHij . i= 1 此外, BNMF 常被有盲信号 分离背景 的学者 解释为
含噪声项的产生式模型: V= WH+ E[10] , E 是 M @N 的 噪声矩阵. 不同的 BNMF 算法也常可被解释为 遵循了不 同的 E分布假设下的最大似然算法.
根据需要, 可给上述模型 中的 W和 H 施加 更多的 限制, 构成 INMF.
2 NMF 简介
定义 对一个 M 维的随机向量 v 进行了 N 次的观 测, 记这些 观测 为 vj , j = 1, 2, , , N , 取 V= [ V#1, V#2, , , V#N ] , 其中 V#j = vj, j = 1, 2, , , N, BNMF 要求发现非 负的 M @L 的基矩阵 W= [ W#1, W#2, , , W#N ] 和 L @N 的系数矩阵 H = [ H#1, H#2, , , H#N ] , 使 V U WH[1] , 这 也可 以 用 向 量 标 量 积 的 形 式 更 为 直 观 地 表 示 为 V#j
Ke y words: non2negative matrix factorization; multivariate data representation; feature extraction
1 引言
在信号处理、神经网络、模式识别、计算机视觉和图 象工程的研究中, 如何构造一个能使多维观测数据被更 好描述的变换方法始终是 一个非 常重要 的问 题. 通常, 一个好的变换方法应具备 两个基 本的特 性: ( 1) 可 使数 据的某种潜在结构变得清晰; ( 2) 能使数据的 维数得到 一定程度的约减.
主分量分析、线 性鉴别 分析、投影寻 踪、因 子分析、
冗余归约和独立分量分析是一些最常用的变换方法. 它 们因被施加的限制不同而有着本质的区别, 然而, 它们 有两个共同 的特 点: ( 1) 允 许负的 分解量 存在 ( 允 许有 减性的描述) ; ( 2) 实现线性的维数约减. 区别于它们, 一 种新 的变 换方 法 ) ) ) 非负 矩 阵分 解( Nonnegative Matrix Factor, NMF) [1]由 Lee 和 Seung 在5Nature6 上提出, 它使分 解后的所有分量均为非负值(要求纯加性的描述) , 并且 同时实现非 线性 的维 数 约减. NMF 的 心理 学和 生 理学 构造依据是对整体 的感知 由对组成 整体的 部分的 感知 构成的( 纯 加性的 ) [2~ 6], 这也 符合直 观的理 解: 整 体是 由部分组成的[1], 因此它在某种意义上抓住了智能数据 描述的本质. 此外, 这 种非负 性的限 制导致 了相应 描述 在一定程度上的稀疏性[1], 稀疏性的表述已被证明是介 于完全分布式的描 述和单 一活跃 分量 的描述 3 间 的一
非奇异矩阵分解算法综述

2、NMF 概念和性质
定义:对一个M维的随机向量x进行了N次的观测,记这些观测为xj,j=1,2,„, N,取观测数据矩阵为X=[x1,x2,„xn]∈IR>=0 2,„ul]
MxN
=0
MxN
,NMF旨在寻找X的基矩阵U=[u1,u
MxN
Mxl
>=0和非负系数L*N矩阵V=[源自1,v2,„vn] ∈IR>=0
附加在数据成分矩阵上的基于不同数据统计模型的约束条件和算法的底层结构 两方面的不同。然而,它们的共同点在于对因式分解后的矩阵元素特征标识没有 约束条件。换句话来说,它们允许负的分解量存在 (允许有减性的描述),并且 能实现线性的维数约减。区别于它们的,一种新的变换方法 ———非负矩阵分 解(Nonnegative Matrix Factor ,NMF),它包含有非负的约束从而部分、局部 的特征表征以及加强了相应问题的可解释性,是由 Paatero 和 Tapper 联合 Lee 和 Seung 在《Nature》上提出的。 事实上,NMF 的概念在很久以前用作为化学计量学中的“自我建模曲线分辨 率”,表明向量是连续曲线而不是离散向量的。NMF 起初被 Paatero 和 Tapper 介绍过来时使用的是正数矩阵分解的称号,注重于通过复杂的算法的实现使用 到一项专门的应用中。其中表现出来的缺陷限制了相关理论(例如算法的收敛 性、解决方案的特性)和算法之于其他应用方向的一般化的发展。所幸的是, NMF 理念因为 Lee 和 Seung 他们所做的研究工作---更为简单有效的算法和对 其局部特征表征的潜在价值的着重强调而变得越来越流行。 远超过了数学领域的探究范围,尝试为表征对象的各个部分特征提供可行算 法模型的 NMF 理论中蕴含着近似于感知机制的哲学理念,局部表征的概念看起 来很直观,但它确实是生理学和心理学案例---对整体的感知由对组成整体的部 分的感知构成的(纯加性的)的解释基础,是电脑计算对象识别问题的核心理念 之一。事实上,NMF 包含有两个互补的内涵---非负成分和纯加性。一方面,负 的成分在真实世界的数据中观测数据和潜在数据(比如影像、光谱和基因数据、 实际问题分析数据)中在物理上毫无意义,同时,现有的对象原型通常用特定 的语义进行阐述,例如在脸部识别中,其所基于的图像区域是局部的(像是脸 的局部特征,眼睛、鼻子、嘴和脸颊等)而并非是整体的。另一方面,感兴趣 对象一般通过它的对其局部特征的详细属性目录和专属附加特性进行描述识别, 有了上述两项便可以对对象进行重建就像是通过拼图辨认嫌疑犯一样。正是由 于上述特点,NMF 在实际场景任务应用中取得了巨大的成功,在文本聚类算法 中,NMF 不仅在精度改进方面也在潜在语义识别方面均超越了经典的聚类方法, 如光谱聚类。 除此之外,非负约束在某种程度上会自然而然导致稀疏性,稀疏性的表述已 被证明是介于完全分布式的描述和单一活跃分量的描述间的一种有效数据描述
非负矩阵分解聚类

非负矩阵分解聚类摘要:一、非负矩阵分解聚类原理1.非负矩阵分解2.聚类方法3.非负矩阵分解聚类二、非负矩阵分解聚类应用优势1.数据降维2.图像处理3.生物信息学4.社交网络分析三、非负矩阵分解聚类局限性1.计算复杂度2.数据噪声敏感3.模型参数选择四、非负矩阵分解聚类未来发展趋势1.高维数据分析2.大规模数据处理3.结合深度学习方法正文:非负矩阵分解聚类(Non-negative Matrix Factorization Clustering,NMF-C)是一种将数据集分解成若干个非负矩阵的方法。
非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)是一种将一个非负矩阵分解成两个非负矩阵的乘积的方法,这两个矩阵分别表示数据的潜在结构和元素之间的关系。
聚类方法则是将数据集中的相似度较高的元素划分到同一个子集中。
非负矩阵分解聚类结合了这两种方法,可以将数据集中的相似度较高的元素划分到同一个子集中。
非负矩阵分解聚类在数据降维、图像处理、生物信息学和社交网络分析等领域具有广泛应用。
数据降维是非负矩阵分解聚类的常见应用之一,通过将高维数据映射到低维空间,可以减少数据规模,提高数据处理效率。
在图像处理领域,非负矩阵分解聚类可以用于图像分割和特征提取,提高图像识别的准确性。
在生物信息学领域,非负矩阵分解聚类可以用于基因表达数据的降维和聚类分析,发现具有相似功能的基因。
在社交网络分析领域,非负矩阵分解聚类可以用于社区发现,识别社交网络中的兴趣群体。
然而,非负矩阵分解聚类也存在一些局限性。
首先,非负矩阵分解聚类的计算复杂度较高,尤其是当数据规模较大时,计算时间会显著增加。
其次,非负矩阵分解聚类对数据噪声敏感,当数据中存在异常值或缺失值时,聚类结果可能受到影响。
此外,非负矩阵分解聚类中的模型参数选择也是一个挑战,不同的参数选择可能导致不同的聚类结果。
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SVD A = UΣ V T =
r T σ u v i i i i=1
What is the SVD?
7 of 30
decreasing importance
The SVD
8 of 30
Data Matrix
Am×n with rank r Examples
term-by-document matrix pixel intensity-by-image matrix gene-by-DNA microarray matrix feature-by-item matrix user-by-purchase matrix terrorist-by-action matrix
where
Dk
is diagonal, and elements of
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization
Other Low-Rank Approximations
• QR decomposition • any URVT factorization • Semidiscrete decomposition (SDD) Ak = Xk Dk YT k,
SVD A = UΣ V T =
r T σ u v i i i i=1
Low Rank Approximation use Ak =
k T σ u v i=1 i i i
in place of A
SVD Rank Reduction
Amy Langville
langvillea@ C. of Charleston Mathematics Dept.
NISS NMF Workshop February 23–24, 2007
Outline
• Two Factorizations: — Singular Value Decomposition — Nonnegative Matrix Factorization • Why factor anyway? • Computing the NMF — Early Algorithms — Recent Algorithms • Extensions of NMF
polysem
• polysems broken across several basis vectors wi
Text Mining Applications
• Data compression • Find similar terms Wk Hk 0 ≤ cos(θ) = Wk Hk q ≤ 1 0 ≤ cos(θ) = qT Wk Hk ≤ 1
SVD NMF
Ak Ak
nonneg
= =
Uk
mixed
Σk
nonneg
VT k
mixed
Wk
nonneg
Hk
nonneg
Interpretation with NMF
• columns of W are the underlying basis vectors, i.e., each of the n columns of A can be built from k columns of W. • columns of H give the weights associated with each basis vector. ⎡ . ⎤ ⎡ . ⎤ ⎡ . ⎤ . . . . . . ⎢ ⎢ ⎢ ⎥ ⎥ ⎥ Ak e1 = Wk H∗1 = ⎣ w1 ⎦ h11 + ⎣ w2 ⎦ h21 + . . . + ⎣ wk ⎦ hk1 . . . . . . . . . • Wk , Hk ≥ 0 ⇒ immediate interpretation
Reconstructed Images k = 100
Text Mining
MED dataset (k = 10)
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *1 Highest Weighted Terms in Basis Vector W *2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
10 of 30
Why use Low Rank Approximation?
• Data Compression and Storage when k << r • Remove noise and uncertainty ⇒ improved performance on data mining task of retrieval (e.g., find similar items) ⇒ improved performance on data mining task of clustering
0.5 1 1.5 weight 2 2.5
term
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *5
term
Highest Weighted Terms in Basis Vector W *6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
childre n child autistic speech group early visual anxiety emotional autism
8 7 6
sigma
4 3
5
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
k=28
Other Low-Rank Approximations
• QR decomposition • any URVT factorization • Semidiscrete decomposition (SDD) Ak = Xk Dk YT k,
1 2 weight 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
kidney marro w dna cells nephrectom y unilateral lymphocyte s bone thymidine rats
0.5 1 1.5 weight 2 2.5
term
term
Text Mining
• Find similar documents • Cluster documents
Clustering with the NMF
Clustering Terms • use rows of Wm×k = ⎛ cl.1 cl.2 term1 .9 0 ⎜ .1 term 2 .. 8 ⎝ . . . . . . . . ... ... ... . .. cl.k ⎞ .3 .. 2 ⎟ ⎠ . .
where
Dk
is diagonal, and elements of
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization BUT All create basis vectors that are mixed in sign. Negative elements make interpretation difficult.
Xk , Yk ∈ {−1, 0, 1}.
• CUR factorization BUT All create basis vectors that are mixed in sign. Negative elements make interpretation difficult. ⇒ Nonnegative Matrix Factorization
Data Matrix
Am×n with rank r Examples
term-by-document matrix pixel intensity-by-image matrix gene-by-DNA microarray matrix feature-by-item matrix user-by-purchase matrix terrorist-by-action matrix
Properties of SVD
• basis vectors ui and vi are orthogonal • uij , vij are mixed in sign = Uk Σk Ak
nonneg mixed nonneg
VT k
mixed
• U, V are dense • uniqueness—while there are many SVD algorithms, they all create the same (truncated) factorization • optimality—of all rank-k approximations, Ak is optimal A − Ak
F
= minrank(B)≤k A − B
F
Summary of Truncated SVD
Strengths • using Ak in place of A gives improved performance • noise reduction isolates essential components of matrix • best rank-k approximation • Ak is unique Weaknesses • storage—Uk and Vk are usually completely dense • interpretation of basis vectors is difficult due to mixed signs • good truncation point k is hard to determine • orthogonality restriction