PCA数据降维技术详解

news2024/12/25 0:33:07

在数据分析和机器学习的世界里，维度灾难是一个不可忽视的问题。随着数据维度的增加，计算量急剧上升，模型复杂度变高，同时可能引入噪声和冗余信息，影响模型的性能和解释性。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）作为一种经典且强大的数据降维技术，能够有效解决这些问题。

一、PCA基本原理

PCA通过线性变换将原始数据映射到一个新的坐标系统中，使得任何投影的第一大方差在第一个坐标（称为主成分）上，第二大方差在第二个坐标上，依此类推。这样，数据的主要特征就被保留在了前几个主成分中，而后面的成分则包含了较少的信息，可以被忽略，从而实现数据降维。

核心思想：

最大化方差：PCA希望投影后的数据在第一个主成分上具有最大的方差，即数据在该方向上的分散程度最大，这样能够更好地保留原始数据的信息。
正交性：各个主成分之间是相互正交的，即它们之间没有线性相关性，避免了信息的重叠。

二、PCA算法步骤

1. 数据标准化

目的：PCA对数据的尺度非常敏感，即如果不同特征的度量单位不同（如一个是米，另一个是千克），或者数据的范围差异很大，那么这些特征在计算协方差矩阵时会产生不同的影响，导致结果偏向于数值较大的特征。因此，标准化是使每个特征的均值为0，方差为1，以确保每个特征在PCA分析中具有相同的权重。

方法：对于每个特征，从其每个值中减去该特征的均值，然后除以其标准差。

2. 计算协方差矩阵

目的：协方差矩阵是一个方阵，其元素表示各对特征之间的协方差，衡量了它们之间的线性关系。

方法：对于m个特征的数据集，协方差矩阵是一个m×m的矩阵，其中每个元素C[i][j]是第i个特征和第j个特征的协方差。

3. 计算协方差矩阵的特征值和特征向量

目的：特征值和特征向量描述了协方差矩阵的固有特性。特征值表示对应特征向量方向上的方差大小，即该方向上的信息量。特征向量则是数据在新的坐标系统中的方向，即主成分的方向。

方法：使用线性代数的方法（如特征值分解或奇异值分解）计算协方差矩阵的特征值和特征向量。

4. 选择主成分

目的：选择最重要的主成分，即那些能够最大程度保留原始数据信息的方向。

方法：按照特征值的大小从大到小排序，选择前k个最大的特征值对应的特征向量作为主成分。k的选择通常基于特征值的累积贡献率（即前k个特征值的和占总特征值之和的比例）或根据实际需要。

5. 数据投影

目的：将原始数据转换到新的坐标系统（由选定的主成分构成）中，得到降维后的数据。

方法：对于每个样本，将其与选定的k个特征向量进行点积运算，得到该样本在k个主成分上的投影，即降维后的数据。

实例：

from sklearn.decomposition import PCA
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

data = pd.read_excel('hua.xlsx')
#此行代码加载了名为hua.xlsx的Excel文件到pandas DataFrame中。
x = data.iloc[:, :-1]
y = data.iloc[:, -1]

pca = PCA(n_components=0.90)
pca.fit(x)
#您使用PCA进行特征降维，目标是保留原始数据90%的方差。

print('特征所占百分比:{}', format(sum(pca.explained_variance_ratio_)))
print(pca.explained_variance_ratio_)

print('降维后数据')
new_x = pca.transform(x)
print(new_x)

x_train, x_test, y_train, y_test = \
    train_test_split(new_x, y, test_size=0.2, random_state=0)

#用train_test_split函数将数据集划分为训练集和测试集，测试集占总数据的20%。

classifier = LogisticRegression()
classifier.fit(x_train, y_train)

train_pred = classifier.predict(x_train)
print(train_pred)

test_pred = classifier.predict(x_test)
print(test_pred)
#您使用逻辑回归模型进行训练和预测。
from sklearn import metrics

print(metrics.classification_report(y_train, train_pred))

print(metrics.classification_report(y_test, test_pred))