主成分分析PPT课件
合集下载
主成分分析法PPT课件
6
3.832E-16
2.017E-15 100.000
7
3.351E-16
1.764E-15 100.000
8
2.595E-16
1.366E-15 100.000
000
10
1.683E-16
8.860E-16 100.000
11
7.026E-17
3.698E-16 100.000
• 因子分析是要利用少数几个公共因子去解释较多个要观测 变量中存在的复杂关系,它不是对原始变量的重新组合,而 是对原始变量进行分解,分解为公共因子与特殊因子两部分. 公共因子是由所有变量共同具有的少数几个因子；特殊因 子是每个原始变量独自具有的因子.
3、应用中的优缺点比较
• 主成分分析 优点：首先它利用降维技术用少数几个综合变量来代替 原始多个变量,这些综合变量集中了原始变量的大部分信 息.其次它通过计算综合主成分函数得分,对客观经济现象 进行科学评价.再次它在应用上侧重于信息贡献影响力综 合评价. 缺点：当主成分的因子负荷的符号有正有负时,综合评价 函数意义就不明确.命名清晰性低.
12
2.750E-19
1.447E-18 100.000
13
-7.503E-17 -3.949E-16 100.000
14
-1.291E-16 -6.794E-16 100.000
15
-1.742E-16 -9.168E-16 100.000
16
-2.417E-16 -1.272E-15 100.000
四、主成分分析法的步骤
1数据归一化处理：数据标准化Z 2计算相关系数矩阵R： 3计算特征值；
特征值越大说明重要程度越大.
4计算主成分贡献率及方差的累计贡献率； 5计算主成分载荷与特征向量：
主成分分析法例子剖析-PPT
…… zm是与z1，z2，……，zm－1都不相关的x1，x2，…xP， 的所有线 性组合中方差最大者。 则新变量指标z1，z2，…，zm分别称为原变量指标x1，x2，…，xP 的第一，第二，…，第m主成分。
从以上的分析可以看出，主成分分析的 实质就是确定原来变量xj（j=1，2 ，…， p） 在诸主成分zi（i=1，2，…，m）上的载荷 lij （ i=1，2，…，m； j=1，2 ，…，p）。
分z2代表了人均资源量。
③第三主成分z3，与x8呈显出的正相关程度 最高，其次是x6，而与x7呈负相关，因此可 以认为第三主成分在一定程度上代表了农业 经济结构。
显然，用三个主成分z1、z2、z3代替原来9个变量（x1， x2，…，x9），描述农业生态经济系统，可以使问题更进
一步简化、明了。
rij
n
(xki xi )(xkj x j )
k 1
n
n
(xki xi )2 (xkj x j )2
k 1
k 1
（4）
（二）计算特征值与特征向量：
① 解特征方程 I R 0 ，求出特征值，并 使其按大小顺序排列 ；
1 2 , p 0
② 分别求出对应于特征值 i的特征向量
大家好
1
一、主成分分析的基本原理
❖ 假定有n个样本，每个样本共有p个变量， 构成一个n×p阶的数据矩阵
x11 x12 x1 p
X
x21
x22
x2
p
xn1
xn 2
xnp
（1）
❖降维处理！！！
当p较大时，在p维空间中考察问题比较麻烦。 降维是用较少的几个综合指标代替原来较多 的变量指标，而且使这些较少的综合指标既 能尽量多地反映原来较多变量指标所反映的 信息，同时它们之间又是彼此独立的。
从以上的分析可以看出，主成分分析的 实质就是确定原来变量xj（j=1，2 ，…， p） 在诸主成分zi（i=1，2，…，m）上的载荷 lij （ i=1，2，…，m； j=1，2 ，…，p）。
分z2代表了人均资源量。
③第三主成分z3，与x8呈显出的正相关程度 最高，其次是x6，而与x7呈负相关，因此可 以认为第三主成分在一定程度上代表了农业 经济结构。
显然，用三个主成分z1、z2、z3代替原来9个变量（x1， x2，…，x9），描述农业生态经济系统，可以使问题更进
一步简化、明了。
rij
n
(xki xi )(xkj x j )
k 1
n
n
(xki xi )2 (xkj x j )2
k 1
k 1
（4）
（二）计算特征值与特征向量：
① 解特征方程 I R 0 ，求出特征值，并 使其按大小顺序排列 ；
1 2 , p 0
② 分别求出对应于特征值 i的特征向量
大家好
1
一、主成分分析的基本原理
❖ 假定有n个样本，每个样本共有p个变量， 构成一个n×p阶的数据矩阵
x11 x12 x1 p
X
x21
x22
x2
p
xn1
xn 2
xnp
（1）
❖降维处理！！！
当p较大时，在p维空间中考察问题比较麻烦。 降维是用较少的几个综合指标代替原来较多 的变量指标，而且使这些较少的综合指标既 能尽量多地反映原来较多变量指标所反映的 信息，同时它们之间又是彼此独立的。
《主成分分析》幻灯片PPT
PCA的实质——简化数据
用尽可能少的变量〔主成分〕反映原始数据中尽 可能多的信息，以简化数据，突出主要矛盾。
反映原始数据特征的指标：方差-离散度 主成分：原始变量的最优加权线性组合 最优加权：
第一主成分：寻找原始数据的一个线性组合，使 之具有最大方差〔数据离散度最大的方向〕
第二主成分：寻找原始数据的一个线性组合，使 之具有次大方差，且与第一主成分无关
12.00
14.00
16.00
run100m
18.00
20.00
二、PCA的模型与算法
设:x为标准化变量, 原始数据阵 X s [x 1 ,x 2 , x p ] PCA目标：找到原始数据方差最大的线性组合
❖设：线性组合系数为p×1=[1, 2, … p]T
❖即:要找一个 使z=Xs= 1x1+ 2x2 +…+ pxp具有
What does PCA do?
Original data matrix, say n by p 正交旋转
New data matrix, say n by q, with q < p：
例：研究55个国家运发动径赛 能力，用8项径赛成绩
经PCA得到新数据阵： z55×2：选取2个主成分， 其中第一主成分表示综合
0.0
1
第一主成分-1.0包0 含的信0.0息0 量显然1.00
-21..000
售 电 量
Z2
大于第二主成分，因而忽略s 第
二主成分信息损失不大 -2.0
-2
-1
Ma Xin, North China Electric Power University
0
1
2
3
spss主成分分析(PCA)PPT课件
0.924 u30.383
0.000
zf
26
（３）主成分：
F 10 .38 x 1 3 0 .92 x 24
F2 x3 F 30.92x1 40.38x23
（４）各主成分的贡献率及累计贡献率： 第一主成分贡献率： 5.8/35 (.8 320.1)7 0.72875 第二主成分贡献率： 2/5 (.8 3 20.1)7 0.25 第三主成分贡献率：0.1/75 (.8 320.1)7 0.02125
zf
23
（二） 第二主成分
coF 1,v F 2)(0 F 2 u 1X 2 1 u p 2 X p
F 2 u 1 X 2 1 u 2 X 2 2 u p 2 X p
在约束条件 下，寻找第二主成分
zf
24
例：设 x(x1,x2,x3)' 的协方差矩阵为：
1 2 0
2
5
0
当分析中所选择的变量具有不同的量纲，变量水平差异 很大，应该选择基于相关系数矩阵的主成分分析。 2、如何确定主成分个数？ 主成分分析的目的是简化变量，一般情况下主成分的个数 应该小于原始变量的个数。关于保留几个主成分，应该 权衡主成分个数和保留的信息。
zf
20
5.3 总体主成分的求解及其性质
❖ 主成分分析的目标：
U为旋转变换正 矩交 阵矩 ，阵 它， 是即有 U U 1,U U I
zf
16
❖ 旋转变换的目的：为了使得n个样品点在Fl 轴方向上的离散程度最大，即Fl的方差最大。
❖ (变量Fl代表了原始数据的绝大部分信息，在 研究某问题时，即使不考虑变量F2也无损大 局)。经过上述旋转变换原始数据的大部分 信息集中到Fl轴上，对数据中包含的信息起 到了浓缩作用。
主成分分析方法PPT课件
X
x21
x22
x2
p
xn1
xn 2
xnp
❖ 当p较大时，在p维空间中考察问题比较麻烦。 为了克服这一困难，就需要进行降维处理. 要求：较少的几个综合指标尽量多地反映原来较 多变量指标所反映的信息，同时它们之间又是彼 此独立的
例，成绩数据
❖ 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）。
p
lk2j 1, (k 1,2,, m)
j 1
Rlk lk (R E)lk 0
计算主成分贡献率及累计贡献率
▲贡献率:
k
p
i
(k 1,2,, p)
i 1
▲累计贡献率:
k
p
j1 j / i1 i
一般取累计贡献率达85—95%的特征值 1, 2 ,, m 所对应的第一、第二、…、第m（m≤p）个主成分
6
6
样方
1
物种X1 1
物种X2 5
2 3 4 5 6 总和 2 0 2 -4 -1 0 2 1 0 -4 -4 0
种X2
X2
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
种X1
6 5 4 3 2 1 0 -5 -4 -3 -2 -1-1 0 1 2 3 4 5 6 -2 -3 -4 -5
X1
中心化后的原始数据矩阵
X
1 5
2 2
0 1
2 0
4 4
1 4
❖ 把坐标轴X1、 X2刚性地旋转 一个角度，得
到图中新坐标
轴Y1和Y2
X2
6
怎样用做Eviews主成分分析和因子分析ppt课件
中属于第 i 个主成分（被第 i 个主成分所解释）的比例为
i 1 2 p
称为第 i 个主成分的贡献度。定义
（13.1.12）
m
j
j 1
p
i
i 1
m p
（13.1.13）
称为前 m 个主成分的累积贡献度，衡量了前 m 个主成份对原 始变量的解释程度。
10
性质3 记第k个主成分 Yk 与原始变量 Xi 的相关系数为 r(Yk，Xi)，称为因子载荷，或者因子负荷量，则有
假如对某一问题的研究涉及 p 个指标，记为X1，X2, …, Xp，由这 p 个随机变量构成的随机向量为X=(X1, X2, …, Xp)，
设 X 的均值向量为，协方差矩阵为。设Y=(Y1, Y2 , … , Yp)
为对 X 进行线性变换得到的合成随机向量，即
Y1 11
Y2
21
12
22
(2) Y1在满足约束 (1) 即的情况下，方差最大；Y2是在满 足约束(1) ，且与Y1不相关的条件下，其方差达到最大；……； Yp是在满足约束(1) ，且与Y1，Y2，…，Y p-1不相关的条件下， 在各种线性组合中方差达到最大者。
满足上述约束得到的合成变量Y1, Y2, …, Yp分别称为原始 变量的第一主成分、第二主成分、…、第 p 主成分，而且各 成分方差在总方差中占的比重依次递减。在实际研究工作中，
19
13.3.1 EViews软件中主成分分析的计算
本节以例13.1的数据为例，介绍EViews软件中主成 分分析的实现过程。首先将所涉及的变量建成一个组(g1)， 选择组菜单的View/Principal Components...，出现如图 13.6所示的窗口。在窗口中有两个切换钮：第一个钮标着 Components，第二个钮标着Calculation，控制着组中各 序列离差矩阵的计算和估计。默认的，EViews完成主成 分分析使用普通的（Pearson）相关矩阵，也可以在这个 菜单下重新设定主成分的计算。
i 1 2 p
称为第 i 个主成分的贡献度。定义
（13.1.12）
m
j
j 1
p
i
i 1
m p
（13.1.13）
称为前 m 个主成分的累积贡献度，衡量了前 m 个主成份对原 始变量的解释程度。
10
性质3 记第k个主成分 Yk 与原始变量 Xi 的相关系数为 r(Yk，Xi)，称为因子载荷，或者因子负荷量，则有
假如对某一问题的研究涉及 p 个指标，记为X1，X2, …, Xp，由这 p 个随机变量构成的随机向量为X=(X1, X2, …, Xp)，
设 X 的均值向量为，协方差矩阵为。设Y=(Y1, Y2 , … , Yp)
为对 X 进行线性变换得到的合成随机向量，即
Y1 11
Y2
21
12
22
(2) Y1在满足约束 (1) 即的情况下，方差最大；Y2是在满 足约束(1) ，且与Y1不相关的条件下，其方差达到最大；……； Yp是在满足约束(1) ，且与Y1，Y2，…，Y p-1不相关的条件下， 在各种线性组合中方差达到最大者。
满足上述约束得到的合成变量Y1, Y2, …, Yp分别称为原始 变量的第一主成分、第二主成分、…、第 p 主成分，而且各 成分方差在总方差中占的比重依次递减。在实际研究工作中，
19
13.3.1 EViews软件中主成分分析的计算
本节以例13.1的数据为例，介绍EViews软件中主成 分分析的实现过程。首先将所涉及的变量建成一个组(g1)， 选择组菜单的View/Principal Components...，出现如图 13.6所示的窗口。在窗口中有两个切换钮：第一个钮标着 Components，第二个钮标着Calculation，控制着组中各 序列离差矩阵的计算和估计。默认的，EViews完成主成 分分析使用普通的（Pearson）相关矩阵，也可以在这个 菜单下重新设定主成分的计算。
第九章 主成分分析PPT课件
➢ 因而，人们希望对这些变量加以“改造”，用少数的互 不相关的新变量反映原始变量所提供的绝大部分信息， 通过对新变量的分析解决问题。
前言
➢ 主成分分析是把各变量之间互相关联的复 杂关系进行简化分析的方法。
➢ 在多指标的数据分析中，压缩指标个数的 讨论成为实际工作者关心的问题之一。
➢ 主成分分析就是将多个指标转化为少数几 个综合指标的一种常用的统计方法
5维空间在平面上的投影
x2 y2
x1
x3
y1 x4
x5
y1 =l11x1 +l21x2 +…+l51x5 y2 =l21x1 +l22x2 +…+l52x5
x2
y2
x1
x3 y1
x4为Z，标准化后的变量记为X。作标准化变换：
z j
1 n
n
zkj
k 1
xkj
zkj sj
➢ yl，y2除了可以对包含在xl，x2中的信息起着 浓缩作用之外，还具有不相关（图形中表 现为正交）的性质，这就使得在研究复杂 的问题时避免了信息重叠所带来的虚假性。 二维平面上的个点的方差大部分都归结在 yl 轴上，而y2轴上的方差很小。 yl 和 y2 称为 原始变量xl和x2的综合变量。 y 简化了系统 结构，抓住了主要矛盾。
➢ 主成分分析能起到既减少指标个数，又不影响所要达 到的统计分析的目的。
➢ 要注意的是，主成分分析方法往往是一种 手段，它要与其它方法结合起来使用。
➢ 常与回归分析、因子分析、聚类分析结合 在一起使用
问题的提出
设在一个问题中，有n个个体，对每一个个体测定了p个指 标，其观察值组成了一个矩阵
x11 x12 ... x1p
前言
➢ 主成分分析是把各变量之间互相关联的复 杂关系进行简化分析的方法。
➢ 在多指标的数据分析中，压缩指标个数的 讨论成为实际工作者关心的问题之一。
➢ 主成分分析就是将多个指标转化为少数几 个综合指标的一种常用的统计方法
5维空间在平面上的投影
x2 y2
x1
x3
y1 x4
x5
y1 =l11x1 +l21x2 +…+l51x5 y2 =l21x1 +l22x2 +…+l52x5
x2
y2
x1
x3 y1
x4为Z，标准化后的变量记为X。作标准化变换：
z j
1 n
n
zkj
k 1
xkj
zkj sj
➢ yl，y2除了可以对包含在xl，x2中的信息起着 浓缩作用之外，还具有不相关（图形中表 现为正交）的性质，这就使得在研究复杂 的问题时避免了信息重叠所带来的虚假性。 二维平面上的个点的方差大部分都归结在 yl 轴上，而y2轴上的方差很小。 yl 和 y2 称为 原始变量xl和x2的综合变量。 y 简化了系统 结构，抓住了主要矛盾。
➢ 主成分分析能起到既减少指标个数，又不影响所要达 到的统计分析的目的。
➢ 要注意的是，主成分分析方法往往是一种 手段，它要与其它方法结合起来使用。
➢ 常与回归分析、因子分析、聚类分析结合 在一起使用
问题的提出
设在一个问题中，有n个个体，对每一个个体测定了p个指 标，其观察值组成了一个矩阵
x11 x12 ... x1p
主成分分析PPT课件
分信息集中到Fl轴上，对数据中包含的信息起 到了浓缩作用。
Fl，F2除了可以对包含在Xl，X2中的信息起着浓 缩作用之外，还具有不相关的性质，这就使得在
研究复杂的问题时避免了信息重叠所带来的虚假
性。二维平面上的个点的方差大部分都归结在Fl 轴上，而F2轴上的方差很小。Fl和F2称为原始变量 x1和x2的综合变量。F简化了系统结构，抓住了主 要矛盾。
•• •
•• •
•
x 1
释
•
••
• •
•
上面的四张图中，哪一种有更高的 精度？原始变量的信息损失最少？
显然是图3
旋转变换的目的是为了使得n个样品点在
Fl轴方向上的离散程度最大，即Fl的方差最大。 变量Fl代表了原始数据的绝大 部分信息，在 研究某经济问题时，即使不考虑变量F2也无 损大局。经过上述旋转变换原始数据的大部
F1 u11X1 u21X2 up1X p F2 u12X1 u22X2 up2X p
Fp u1p X1 u2p X2 uppX p
写为矩阵形式：
FU X
u11 u12 u1p
U(u1,,up)u21
u22
u2p
up1 up2 upp
X (X 1 ,X 2 , ,X p )
在进行主成分分析后，斯通竟以97.4％的 精度，用三新变量就取代了原17个变量。根 据经济学知识，斯通给这三个新变量分别命 名为总收入F1、总收入变化率F2和经济发展 或衰退的趋势F3。更有意思的是，这三个变 量其实都是可以直接测量的。斯通将他得到 的主成分与实际测量的总收入I、总收入变化 率I以及时间t因素做相关分析，得到下表：
F1
F2
F3
i
i
t
Fl，F2除了可以对包含在Xl，X2中的信息起着浓 缩作用之外，还具有不相关的性质，这就使得在
研究复杂的问题时避免了信息重叠所带来的虚假
性。二维平面上的个点的方差大部分都归结在Fl 轴上，而F2轴上的方差很小。Fl和F2称为原始变量 x1和x2的综合变量。F简化了系统结构，抓住了主 要矛盾。
•• •
•• •
•
x 1
释
•
••
• •
•
上面的四张图中，哪一种有更高的 精度？原始变量的信息损失最少？
显然是图3
旋转变换的目的是为了使得n个样品点在
Fl轴方向上的离散程度最大，即Fl的方差最大。 变量Fl代表了原始数据的绝大 部分信息，在 研究某经济问题时，即使不考虑变量F2也无 损大局。经过上述旋转变换原始数据的大部
F1 u11X1 u21X2 up1X p F2 u12X1 u22X2 up2X p
Fp u1p X1 u2p X2 uppX p
写为矩阵形式：
FU X
u11 u12 u1p
U(u1,,up)u21
u22
u2p
up1 up2 upp
X (X 1 ,X 2 , ,X p )
在进行主成分分析后，斯通竟以97.4％的 精度，用三新变量就取代了原17个变量。根 据经济学知识，斯通给这三个新变量分别命 名为总收入F1、总收入变化率F2和经济发展 或衰退的趋势F3。更有意思的是，这三个变 量其实都是可以直接测量的。斯通将他得到 的主成分与实际测量的总收入I、总收入变化 率I以及时间t因素做相关分析，得到下表：
F1
F2
F3
i
i
t
主成分分析完整ppt课件
的系数向量。对于多维的情况，上面的结论依然成立。
这样，我们就对主成分分析的几何意义有了一个充分的了解。 主成分分析的过程无非就是坐标系旋转的过程，各主成分表达 式就是新坐标系与原坐标系的转换关系，在新坐标系中，各坐 标轴的方向就是原始数据变差最大的方向。
2021/6/12
1199
目录 上页 下页 返回 结束
其中，U为旋转变换矩阵，由上式可知它是正交阵， 即满足
U'U1 , U'UI
2021/6/12
1144
目录 上页 下页 返回 结束
§2 主成分分析的几何意义
经过这样的旋转之后，N个样品点在 Y 1 轴上的离散程度最
大，变量 Y 1 代表了原始数据绝大部分信息，这样，有时在研
究实际问题时，即使不考虑变量 Y 2 也无损大局。因此，经过
指标转化为几个综合指标的多元统计方法。通常把转化生成
的综合指标称之为主成分，其中每个主成分都是原始变量的
线性组合，且各个主成分之间互不相关，这就使得主成分比
原始变量具有某些更优越的性能。这样在研究复杂问题时就 可以只考虑少数几个主成分而不至于损失太多信息，从而更
容易抓住主要矛盾，揭示事物内部变量之间的规律性，同时
上述旋转变换就可以把原始数据的信息集中到
Y
轴上，对数
1
据中包含的信息起到了浓缩的作用。进行主成分分析的目的
就是找出转换矩阵 U ，而进行主成分分析的作用与几何意义
也就很明了了。下面我们用遵从正态分布的变量进行分析，
以使主成分分析的几何意义更为明显。为方便，我们以二元
正态分布为例。对于多元正态总体的情况，有类似的结论。
1.每一个主成分都是各原始变量的线性组合；
这样，我们就对主成分分析的几何意义有了一个充分的了解。 主成分分析的过程无非就是坐标系旋转的过程，各主成分表达 式就是新坐标系与原坐标系的转换关系，在新坐标系中，各坐 标轴的方向就是原始数据变差最大的方向。
2021/6/12
1199
目录 上页 下页 返回 结束
其中，U为旋转变换矩阵，由上式可知它是正交阵， 即满足
U'U1 , U'UI
2021/6/12
1144
目录 上页 下页 返回 结束
§2 主成分分析的几何意义
经过这样的旋转之后，N个样品点在 Y 1 轴上的离散程度最
大，变量 Y 1 代表了原始数据绝大部分信息，这样，有时在研
究实际问题时，即使不考虑变量 Y 2 也无损大局。因此，经过
指标转化为几个综合指标的多元统计方法。通常把转化生成
的综合指标称之为主成分，其中每个主成分都是原始变量的
线性组合，且各个主成分之间互不相关，这就使得主成分比
原始变量具有某些更优越的性能。这样在研究复杂问题时就 可以只考虑少数几个主成分而不至于损失太多信息，从而更
容易抓住主要矛盾，揭示事物内部变量之间的规律性，同时
上述旋转变换就可以把原始数据的信息集中到
Y
轴上，对数
1
据中包含的信息起到了浓缩的作用。进行主成分分析的目的
就是找出转换矩阵 U ，而进行主成分分析的作用与几何意义
也就很明了了。下面我们用遵从正态分布的变量进行分析，
以使主成分分析的几何意义更为明显。为方便，我们以二元
正态分布为例。对于多元正态总体的情况，有类似的结论。
1.每一个主成分都是各原始变量的线性组合；
【2024版】主成分分析PPT课件
协方差矩阵的对角线上的元素之和等于特征根 之和。
三、精度分析
1）贡献率：第i个主成分的方差在全部方差中所占
比重
i
p
i 1
i
，称为贡献率
，反映了原来P个指标多大
的信息，有多大的综合能力 。
2）累积贡献率：前k个主成分共有多大的综合能力， 用这k个主成分的方差和在全部方差中所占比重
k
p
i i
i1
主成分分析试图在力保数据信息丢失最少 的原则下，对这种多变量的截面数据表进行 最佳综合简化，也就是说，对高维变量空间 进行降维处理。
很显然，识辨系统在一个低维空间要比 在一个高维空间容易得多。
在力求数据信息丢失最少的原则下，对高维的变 量空间降维，即研究指标体系的少数几个线性组合， 并且这几个线性组合所构成的综合指标将尽可能多 地保留原来指标变异方面的信息。这些综合指标就 称为主成分。要讨论的问题是：
四、原始变量与主成分之间的相关系数
Fj u1 j x1 u2 j x2 upj xp j 1,2,, m, m p
F UX UF X
x1 u11 u12 L u1p F1
x2
M
u21 M
u22 M
L
u2
p
F2
M M
x
p
u p1
up2
L
u
pp
Fp
Cov(xi , Fj ) Cov(ui1F1 ui2F2 L uipFp , Fj ) uij j
u11 u12 u1p
U
(u1
,,
up
)
u21
u22
u2
p
u p1
up2
u
pp