第三讲 主成分分析

主成分分析方法主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）是一种常用的数据降维技术，它可以通过线性变换将原始数据转换为一组各维度之间线性无关的表示，从而实现数据的降维和特征提取。

在实际应用中，主成分分析方法被广泛应用于数据预处理、特征提取、模式识别和数据可视化等领域。

主成分分析的基本思想是通过寻找数据中的主要信息，并将其转化为一组新的互相无关的变量，即主成分，以达到降维的目的。

在进行主成分分析时，我们首先需要计算数据的协方差矩阵，然后对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量。

特征向量构成的矩阵即为数据的主成分矩阵，而特征值则代表了数据在各个主成分方向上的方差大小。

通过主成分分析，我们可以将原始数据映射到主成分空间中，从而实现数据的降维。

在降维后的主成分空间中，我们可以选择保留的主成分数量，以达到对数据特征的提取和压缩。

同时，主成分分析还可以帮助我们发现数据中的内在结构和模式，从而更好地理解数据的特性和规律。

在实际应用中，主成分分析方法有着广泛的应用。

例如，在图像处理领域，主成分分析可以用于图像压缩和特征提取；在金融领域，主成分分析可以用于资产组合的风险分析和优化；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和分类等。

需要注意的是，在应用主成分分析方法时，我们需要考虑数据的标准化和中心化处理，以避免不同量纲和尺度对主成分分析结果的影响。

此外，我们还需要注意选择合适的主成分数量，以保留足够的数据信息同时实现降维的效果。

总之，主成分分析方法是一种强大的数据分析工具，它可以帮助我们实现数据的降维和特征提取，发现数据中的内在结构和模式，从而更好地理解和利用数据。

在实际应用中，我们可以根据具体问题和需求，灵活运用主成分分析方法，从而实现更加有效的数据分析和应用。

一、主成分分析基本原理概念：主成分分析是把原来多个变量划为少数几个综合指标的一种统计分析方法。

从数学角度来看，这是一种降维处理技术。

思路：一个研究对象，往往是多要素的复杂系统。

变量太多无疑会增加分析问题的难度和复杂性，利用原变量之间的相关关系，用较少的新变量代替原来较多的变量，并使这些少数变量尽可能多的保留原来较多的变量所反应的信息，这样问题就简单化了。

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，x11x12 x1px21 x22 x2p Xxn 1xn2xnp记原变量指标为x1，x2，,，xp ，设它们降维处理后的综合指标，即新变量为 z1，z2，z3，,，zm(m ≤p)，则z 1l11x 1 l 12x 2l1p xpz 2 l 21x1 l22x2l2p xp ............ z mlm1x 1 l m2x 2lmp xp系数lij 的确定原则：①zi 与zj （i ≠j ；i ，j=1，2，,，m ）相互无关；②z 是x 1 ，x ，,，x 的一切线性组合中方差最大者，z 是与z 不相关的x ，x ，,，1 2P2 1 1 2 xP 的所有线性组合中方差最大者；zm 是与z1，z2，,,， zm －1都不相关的x1，x ，,x P ，的所有线性组合中方差最大者。

2新变量指标z1，z2，,，zm 分别称为原变量指标x1，x2，,，xP 的第1，第2，,，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 ）上的荷载lij （i=1，2，,，m ；j=1，2，,，p ）。

从数学上可以证明，它们分别是相关矩阵m个较大的特征值所对应的特征向量。

二、主成分分析的计算步骤1、计算相关系数矩阵r11 r12 r1 pr21 r22 r2 pRrp1 rp2 rpprij（i，j=1，2，,，p）为原变量xi与xj的相关系数，rij=rji，其计算公式为n(x ki x i)(x kj x j)r ijk1n n(x ki2(x kj x j)2 x i)k1k12、计算特征值与特征向量解特征方程I R0，常用雅可比法（Jacobi）求出特征值，并使其按大小顺序排列1 2 p0；p 分别求出对应于特征值i的特征向量e i(i1,2,L,p)，要求ei=1，即e ij21j1其中e ij表示向量e i的第j 个分量。

1 主成分分析定义在许多实际问题中，我们经常用多个变量来刻画某一事物，但由于这些变量之间往往具有相关性，很多变量带有重复信息，这样就给分析问题带来了很多不便，同时也使分析结论不具有真实性和可靠性，因此，人们希望寻找到少量几个综合变量来代替原来较多的变量，使这几个综合变量能较全面地反映原来多项变量的信息，同时相互之间不相关。

主成分分析正是满足上述要求的一种处理多变量问题的方法。

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。

又称主分量分析。

2 主成分分析基本思想主成分分析是考察多个变量间相关性的一种多元统计方法。

它是研究如何通过少数几个主分量来解释多个变量间的内部结构。

也就是说，从原始变量中导出少数几个主分量，使它们尽可能多地保留原始变量的信息，且彼此间互不相关。

主成分分析的应用目的可以被简单归结为两句话:数据的压缩、数据的解释。

它常被用来寻找判断某种事物或现象的综合指标，并且给综合指标所包含的信息以适当的解释，从而更加深刻的揭示事物的内在规律。

但是在实际应用中，主成分分析更多的只是一种达到目的的中间手段，而并非目的本身，它往往会被作为许多大型研究的中间步骤，在对数据进行浓缩后继续采用其他多元统计方法以解决实际问题。

主成分分析是把原来多个变量化为少数几个综合指标的一种统计分析方法，从数学角度来看，这是一种降维处理技术。

假定有n个地理样本，每个样本共有p个变量描述，这样就构成了一个n×p阶的地理数据矩阵：如何从这么多变量的数据中抓住地理事物的内在规律性呢？要解决这一问题，自然要在p维空间中加以考察，这是比较麻烦的。

为了克服这一困难，就需要进行降维处理，即用较少的几个综合指标来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指标所反映的信息，同时它们之间又是彼此独立的。

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+ l12x2Z2=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。

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）。

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。

可编辑修改精选全文完整版主成分分析（principal component analysis, PCA）如果一组数据含有N个观测样本，每个样本需要检测的变量指标有K个, 如何综合比较各个观测样本的性质优劣或特点？这种情况下，任何选择其中单个变量指标对本进行分析的方法都会失之偏颇，无法反映样本综合特征和特点。

这就需要多变量数据统计分析。

多变量数据统计分析中一个重要方法是主成份分析。

主成分分析就是将上述含有N个观测样本、K个变量指标的数据矩阵转看成一个含有K维空间的数学模型，N个观测样本分布在这个模型中。

从数据分析的本质目的看，数据分析目标总是了解样本之间的差异性或者相似性，为最终的决策提供参考。

因此，对一个矩阵数据来说，在K维空间中，总存在某一个维度的方向，能够最大程度地描述样品的差异性或相似性(图1)。

基于偏最小二乘法原理，可以计算得到这个轴线。

在此基础上，在垂直于第一条轴线的位置找出第二个最重要的轴线方向，独立描述样品第二显著的差异性或相似性；依此类推到n个轴线。

如果有三条轴线，就是三维立体坐标轴。

形象地说，上述每个轴线方向代表的数据含义，就是一个主成份。

X、Y、Z轴就是第1、2、3主成份。

由于人类很难想像超过三维的空间，因此，为了便于直观观测，通常取2个或者3个主成份对应图进行观察。

图（1）PCA得到的是一个在最小二乘意义上拟合数据集的数学模型。

即，主成分上所有观测值的坐标投影方差最大。

从理论上看，主成分分析是一种通过正交变换，将一组包含可能互相相关变量的观测值组成的数据，转换为一组数值上线性不相关变量的数据处理过程。

这些转换后的变量，称为主成分（principal component, PC）。

主成分的数目因此低于或等于原有数据集中观测值的变量数目。

PCA最早的发明人为Karl Pearson，他于1901年发表的论文中以主轴定理（principal axis theorem）衍生结论的形式提出了PCA的雏形，但其独立发展与命名是由Harold Hotelling于1930年前后完成。

主成分分析法原理
主成分分析法是一种数据分析方法，可以将多维数据集合中的高维变量转化为少量的主成分，从而实现数据的降维和特征抽取。

主成分分析法的基本思想是：将原始数据的多维变量压缩到低维空间，其中压缩的维度由维度数量决定，而每一维变量的压缩程度由各维度的系数来决定。

每一个维度的系数可以理解为一个方向的投影，可以将原始数据投影到该方向上，以此来获得降维后的新数据矩阵。

主成分分析法由一系列步骤组成，包括数据预处理、主成分析、结果分析等。

首先，对原始数据进行预处理，将数据集中的变量标准化，并计算其协方差矩阵。

接着，在协方差矩阵的基础上，通过矩阵分解算法求出其特征值和特征向量，而特征向量代表了原始数据的主要特征和方向，其特征值表示了各个特征的重要性，用于对特征做出选择。

最后，利用特征值和特征向量，可以构建出新的主成分矩阵，以此实现数据的降维和特征抽取。

主成分分析法在实际应用中具有许多优点，可以实现多维数据的有效降维，减少原始数据的复杂性；可以提取数据中有用的信息；还可以用于数据可视化、数据分类等，因此被广泛应用于各个领域。