第七章主成分分析
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第七章主成分分析(一)教学目的通过本章的学习,对主成分分析从总体上有一个清晰地认识,理解主成分分析的基本思想和数学模型,掌握用主成分分析方法解决实际问题的能力。
(二)基本要求了解主成分分析的基本思想,几何解释,理解主成分分析的数学模型,掌握主成分分析方法的主要步骤。
(三)教学要点1、主成分分析基本思想,数学模型,几何解释2、主成分分析的计算步骤及应用(四)教学时数3课时(五)教学内容1、主成分分析的原理及模型2、主成分的导出及主成分分析步骤在实际问题中,我们经常会遇到研究多个变量的问题,而且在多数情况下,多个变量之间常常存在一定的相关性。
由于变量个数较多再加上变量之间的相关性,势必增加了分析问题的复杂性。
如何从多个变量中综合为少数几个代表性变量,既能够代表原始变量的绝大多数信息,又互不相关,并且在新的综合变量基础上,可以进一步的统计分析,这时就需要进行主成分分析。
第 - 213 - 页第一节 主成分分析的原理及模型一、主成分分析的基本思想及数学模型(一)主成分分析的基本思想主成分分析是采取一种数学降维的方法,找出几个综合变量来代替原来众多的变量,使这些综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量,而且彼此之间互不相关。
这种将把多个变量化为少数几个互相无关的综合变量的统计分析方法就叫做主成分分析或主分量分析。
主成分分析所要做的就是设法将原来众多具有一定相关性的变量,重新组合为一组新的相互无关的综合变量来代替原来变量。
通常,数学上的处理方法就是将原来的变量做线性组合,作为新的综合变量,但是这种组合如果不加以限制,则可以有很多,应该如何选择呢?如果将选取的第一个线性组合即第一个综合变量记为1F ,自然希望它尽可能多地反映原来变量的信息,这里“信息”用方差来测量,即希望)(1F Var 越大,表示1F 包含的信息越多。
因此在所有的线性组合中所选取的1F 应该是方差最大的,故称1F 为第一主成分。
如果第一主成分不足以代表原来p 个变量的信息,再考虑选取2F 即第二个线性组合,为了有效地反映原来信息,1F 已有的信息就不需要再出现在2F 中,用数学语言表达就是要求0),(21 F F Cov ,称2F 为第二主成分,依此类推可以构造出第三、四……第p 个主成分。
sas主成分分析sas主成分分析第七章主成分分析实验目的:熟悉并掌握主成分分析和因子分析的原理和在变量分类、综合评价、主成分回归等几个方面的应用,以及相应的SAS程序实现。
实验内容:对我国钢铁行业上市公司的财务绩效状况进行主成分分析,选择的财务指标共有以下几个:流动比率,速动比率,存货周转率,总资产周转率,净资产收益率,经营净利率,每股收益,净资产收益率增长率,股东权益增长率。
数据如下:完成以下工作:(1)选取累积贡献率>85%的前几个主成分,分别计算得分;并对选取的主成分进行解释;(2)对各上市公司的财务绩效进行综合评价;(3)利用选取的主成分得分,借助聚类分析过程对钢铁行业上市公司进行分类。
datazcf;inputname$x1-x9;cards;邯郸钢铁1.5510.9717.1650.88910.7689.2680.451-16.0246.122武钢股份2.1921.828.0880.97515.05411.1140.336-3.0392.588钢联股份1.2860.9418.0441.1247.3894.5990.205-59.988122.041宝钢股份0.9790.5718.130.6019.7428.780.205-17.6853.989莱钢股份1.3640.4975.0780.9314.1039.1370.523-24.26114.16西宁特钢1.4330.6721.4620.4716.4297.2680.1559.3493.027杭钢股份2.1081.4988.3731.41816.7567.9370.531-18.72513.662邢台轧辊2.11.5951.8830.3966.4848.9810.1325.275-1.061宁夏恒力1.3641.0641.8680.2787.46919.8420.201-35.19455.428凌钢股份1.7721.0617.8411.11912.8838.8040.5285.34310.107南钢股份1.8181.3928.8661.54612.8855.1530.409-7.0286.131酒钢宏兴1.4410.88410.1681.07112.8317.8250.36744.0376.686抚顺特钢0.9550.6523.4160.5097.1476.8510.193-8.0741.93安阳钢铁1.8931.3335.1070.9810.9497.9150.3500上海科技1.3131.1824.6430.5689.5499.4230.19935.6353.582沪昌特钢10.8139.536.5850.5671.1031.6560.01915.031-7.171山川股份1.2520.5851.4850.45110.34414.6930.209-1.6159.799浦东不锈6.1865.1212.3630.2650.7542.5130.013-45.439-1.176新华股份1.8171.3143.2910.7469.9249.0280.137-3.5771.985工益股份1.8091.2674.0460.8280.6950.450.011104.419-4.714马钢股份1.5841.0694.3180.5692.0032.1830.03235.279-12.487宝信软件3.5943.2015.0140.82114.669.7210.147126.91123.243北特钢1.3851.0922.6910.467-11.21-7.917-0.14853.839-11.058广钢股份0.8590.513.8840.7224.2472.6850.096-32.409-4.004;procprincompn=9out=prin;varX1-x9;run;procprintdata=prin;varprin1-prin9;run;主要输出结果:相关阵的特征值和特征向量EigenvalueDifferenceProportionCumulative13.626730451.710877240.40300.403021.915853210.519337180.21290.615831.396516020.349008540.15520.771041.047507480.371047740.11640.887450.676459740.478913290.07520.962660.197546440.106501190.02190.984570.091045260.044878480.01010.994680.046166770.043992140.00510.999890.002174630.00021.0000EigenvectorsPrin1Prin2Prin3Prin4Prin5Prin6Prin7Prin8Prin9x1-.2632570.5528190.3251720.0999320.0123340.1292890.077190-.0215500.697189x2-.2696730.5512290.3176490.0909930.0600930.065411-.0196680.049407-.709595x30.3207430.454750-.227474-.1958410.013020-.7729000.0382700.0086860.033825x40.3790330.331485-.342911-.1840840.0144020.490904-.3231210.4986720.026498x50.4608530.1052280.1235360.3670920.0903870.094185-.486791-.610331-.003691x60.308953-.1918380.4762280.4505290.202663-.228562-.0285870.5848690.042126x70.4802260.1255120.0219100.155827-.2454280.2558630.762567-.122168-.082054x8-.1693840.077314-.5106640.4440140.6759650.0353110.220767-.0214310.005659x90.210440-.0652010.347445-.5918860.6553280.1132300.140544-.1355950.001607由输出特征值可知,第一主成分的贡献率为40.30%,第二个主成分的.贡献率为61.58%,第三个主成分的贡献率为77.10%,前四个主成分累计贡献率为88.74%。
7.1 设随机变量12X(X ,X )'=的协差阵为21,12⎡⎤∑=⎢⎥⎣⎦试求X的特征根和特征向量,并写出主成分。
解:先求X的特征根λ,λ满足方程:21012-λ=-λ,即2(2)10-λ-=,因此两个特征根分别为123, 1.λ=λ=设13λ=对应的单位特征向量为()1121a ,a ',则()1121a ,a '满足:1121a 110a 110-⎛⎫⎡⎤⎛⎫= ⎪ ⎪⎢⎥-⎣⎦⎝⎭⎝⎭,故可以取1121a a ⎛⎛⎫ = ⎪ ⎝⎭ ⎝,其对应主成分为:112F X X 22=+;设21λ=对应的单位特征向量为()1222a ,a ',则()1222a ,a '满足:1222a 110a 110⎛⎫⎡⎤⎛⎫=⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭,故可以取1222a a ⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎝⎭- ⎝,其对应的主成分为:212F 22=-.7.2设随机变量123X (X ,X ,X )'=的协差阵为120250,002-⎡⎤⎢⎥∑=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦试求X的主成分及主成分对变量X的贡献率。
解:先求X的特征根λ,λ满足方程:12025002-λ---λ=-λ,即()2(2)610-λλ-λ+=,因此三个特征根分别为1235.8284,2,0.1716λ=λ=λ=设1 5.8284λ=对应的单位特征向量为()112131a ,a ,a ',则它满足:1121314.828420a 020.82840a 000 3.8284a 0--⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎢⎥--=⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥-⎣⎦⎝⎭⎝⎭,故可以取 112131a 10.38271a 2.41420.92392.6131a 00⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=-=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭,其对应主成分为: 112F 0.3827X 0.9239X =-,其贡献率为5.828472.86%5.828420.1716=++;设22λ=对应的单位特征向量为()122232a,a ,a ',则它满足:122232120a 0230a 0000a 0--⎡⎤⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎢⎥-= ⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭,故可以取122232a 0a 0a 1⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,其对应主成分为: 23F X =,其贡献率为225%5.828420.1716=++;设30.1716λ=对应的单位特征向量为()132333a ,a ,a ',则它满足:1323330.828420a 02 4.82840a 000 1.8284a 0-⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎢⎥-=⎪ ⎪⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭,故可以取132333a 10.92391a 0.41420.38271.0824a 00⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭,其对应主成分为: 312F 0.9239X 0.3827X =+,其贡献率为0.17162.14%5.828420.1716=++.7.3 设随机变量12X (X ,X )'=的协差阵为14,4100⎡⎤∑=⎢⎥⎣⎦试从∑和相关阵R出发求出总体主成分,并加以比较。