主成分分析法概念及例题

主成分分析类型：一种处理高维数据的方法。

降维思想：在实际问题的研究中，往往会涉及众多有关的变量。

但是，变量太多不但会增加计算的复杂性，而且也会给合理地分析问题和解释问题带来困难。

一般说来，虽然每个变量都提供了一定的信息，但其重要性有所不同，而在很多情况下，变量间有一定的相关性，从而使得这些变量所提供的信息在一定程度上有所重叠。

因而人们希望对这些变量加以“改造”，用为数极少的互补相关的新变量来反映原变量所提供的绝大部分信息，通过对新变量的分析达到解决问题的目的。

一、总体主成分1.1 定义设 X 1，X 2，…，X p 为某实际问题所涉及的 p 个随机变量。

记 X=(X 1，X 2，…,Xp)T ，其协方差矩阵为()[(())(())],T ij p p E X E X X E X σ⨯∑==--它是一个 p 阶非负定矩阵。

设1111112212221122221122Tp p Tp pT pp p p pp p Y l X l X l X l X Y l X l X l X l X Y l X l X l X l X⎧==+++⎪==+++⎪⎨⎪⎪==+++⎩ （1） 则有()(),1,2,...,,(,)(,),1,2,...,.T T i i i i TT T i j ijij Var Y Var l X l l i p Cov Y Y Cov l X l X l l j p ==∑===∑= （2）第 i 个主成分： 一般地，在约束条件1T i i l l =及(,)0,1,2,..., 1.T i k i k Cov Y Y l l k i =∑==-下，求 l i 使 Var(Y i )达到最大，由此 l i 所确定的T i i Y l X =称为 X 1，X 2，…，X p 的第 i 个主成分。

1.2 总体主成分的计算设 ∑是12(,,...,)T p X X X X =的协方差矩阵，∑的特征值及相应的正交单位化特征向量分别为120p λλλ≥≥≥≥及12,,...,,p e e e则 X 的第 i 个主成分为1122,1,2,...,,T i i i i ip p Y e X e X e X e X i p ==+++= （3）此时(),1,2,...,,(,)0,.Ti i i i Ti k i k Var Y e e i p Cov Y Y e e i k λ⎧=∑==⎪⎨=∑=≠⎪⎩ 1.3 总体主成分的性质1.3.1 主成分的协方差矩阵及总方差记 12(,,...,)T p Y Y Y Y = 为主成分向量，则 Y=P T X ，其中12(,,...,)p P e e e =，且12()()(,,...,),T T p Cov Y Cov P X P P Diag λλλ==∑=Λ=由此得主成分的总方差为111()()()()(),p ppTTiii i i i Var Y tr P P tr PP tr Var X λ=====∑=∑=∑=∑∑∑即主成分分析是把 p 个原始变量 X 1，X 2，…，X p 的总方差1()pii Var X =∑分解成 p 个互不相关变量 Y 1，Y 2，…，Y p 的方差之和，即1()pii Var Y =∑而 ()k k Var Y λ=。

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。

主成分分析例题主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，简称PCA）是一种常用的数据分析方法，它可以有效分析数据中的多元特征，将多维特征空间映射到低维空间，使得数据的特征可以更加清晰和深入地分析。

主成分分析方法经常用于多元数据的特征提取、因素分析以及因子结构研究，是多元数据分析中常用的统计分析方法之一。

下面介绍一个典型的主成分分析例题，其中涉及因子分析、因子结构分析以及多元统计分析方法等：一个某大学的护士教学实践中心，设有4个实验室，每实验室有自己的实验内容和服务对象，实验室类型主要有医学实验室、护理实验室、外科实验室以及诊断室。

某护士教学实践中心向500名护士学生收集了有关这4类实验室实验内容和服务对象的信息，以下为收集到的具体信息：（1）医学实验室：主要是负责护士学生的临床实习和医学教育，针对的对象为护理学生。

（2）护理实验室：主要的护理实验内容有护理实践、护理研究和护理技能培训，服务对象是护理学生、护理人员和护理专业的其他相关人群。

（3）外科实验室：主要的外科实验内容包括外科实践、外科技能培训及新型外科手术训练，服务对象是护理学生、护理人员和护理专业的其他相关人群。

（4）诊断实验室：主要是负责护士学生的护理诊断和护理诊断教学，服务对象是护理学生。

为了更加清楚地分析护士教学实践中心的护士学生对这4类实验室的实验内容和服务对象的看法，因此将采用主成分分析方法对这500名护士学生收集到的信息进行分析。

首先，通过SPSS对500名护士学生收集到的信息，进行因子分析，提取4个实验室相关的因子，并得出以下结果：表1.子质量统计|子 |差贡献率 |积方差贡献率 ||-----|-----------|--------------|| 1 | 0.717 | 0.717 || 2 | 0.122 | 0.839 || 3 | 0.056 | 0.895 || 4 | 0.004 | 0.899 |从表1中可以看出，前3个因子共计可以解释89.5%的方差，因此可以将前3个因子作为主成分进行处理。

主成分分析法主成分分析（principal components analysis，PCA）又称：主分量分析，主成分回归分析法目录[显示]1 什么是主成分分析法2 主成分分析的基本思想3 主成分分析法的基本原理4 主成分分析的主要作用5 主成分分析法的计算步骤6 主成分分析法的应用分析o案例一：主成分分析法在啤酒风味评价分析中的应用[1]1 材料与方法2 主成分分析法的基本原理3 主成分分析法在啤酒质量一致性评价中的应用4 结论7 参考文献[编辑]什么是主成分分析法主成分分析也称主分量分析，旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标。

在统计学中，主成分分析（principal components analysis,PCA）是一种简化数据集的技术。

它是一个线性变换。

这个变换把数据变换到一个新的坐标系统中，使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标(称为第一主成分)上，第二大方差在第二个坐标(第二主成分)上，依次类推。

主成分分析经常用减少数据集的维数，同时保持数据集的对方差贡献最大的特征。

这是通过保留低阶主成分，忽略高阶主成分做到的。

这样低阶成分往往能够保留住数据的最重要方面。

但是，这也不是一定的，要视具体应用而定。

[编辑]主成分分析的基本思想在实证问题研究中，为了全面、系统地分析问题，我们必须考虑众多影响因素。

这些涉及的因素一般称为指标，在多元统计分析中也称为变量。

因为每个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此有一定的相关性，因而所得的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。

在用统计方法研究多变量问题时，变量太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性，人们希望在进行定量分析的过程中，涉及的变量较少，得到的信息量较多。

主成分分析正是适应这一要求产生的，是解决这类题的理想工具。

同样，在科普效果评估的过程中也存在着这样的问题。

科普效果是很难具体量化的。

在实际评估工作中，我们常常会选用几个有代表性的综合指标，采用打分的方法来进行评估，故综合指标的选取是个重点和难点。

主成分分析法案例主成分分析法（Principal Component Analysis, PCA）是一种常用的多变量统计分析方法，它可以帮助我们发现数据中的主要特征和结构，从而简化数据集并减少信息丢失。

在本文中，我们将通过一个实际案例来介绍主成分分析法的应用。

案例背景。

假设我们有一个包含多个变量的数据集，我们希望通过主成分分析法来找出其中的主要特征，并将数据进行降维，以便更好地理解和解释数据。

数据准备。

首先，我们需要对数据进行预处理，包括数据清洗、缺失值处理、标准化等操作。

在这个案例中，我们假设数据已经经过了预处理，并且符合主成分分析的基本要求。

主成分分析。

接下来，我们将利用主成分分析法来分析数据。

主成分分析的基本思想是通过线性变换将原始变量转化为一组线性无关的新变量，这些新变量被称为主成分，它们能够最大程度地保留原始数据的信息。

在进行主成分分析之前，我们需要计算数据的协方差矩阵，并对其进行特征值分解。

通过特征值分解，我们可以得到数据的主成分和对应的特征值，从而找出数据中的主要特征。

案例分析。

假设我们得到了数据的前三个主成分，我们可以通过观察主成分的载荷（loadings）来理解数据中的结构。

载荷可以帮助我们理解每个主成分与原始变量之间的关系，从而解释数据的特点和规律。

通过主成分分析，我们可以发现数据中的主要特征和结构，从而更好地理解数据。

同时，我们还可以利用主成分分析的结果进行数据的降维，从而简化数据集并减少信息丢失。

结论。

通过以上案例分析，我们可以看到主成分分析法在多变量数据分析中的重要作用。

通过主成分分析，我们可以发现数据中的主要特征和结构，从而简化数据集并减少信息丢失。

同时，主成分分析还可以帮助我们更好地理解和解释数据，为后续的分析和应用提供有力支持。

总结。

在本文中，我们通过一个实际案例介绍了主成分分析法的基本原理和应用。

主成分分析是一种常用的多变量统计分析方法，它可以帮助我们发现数据中的主要特征和结构，从而简化数据集并减少信息丢失。

主成分分析例题详解主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）是一种常用的数据降维技术，用于发现数据中的主要模式和结构。

本文将通过一个例题详细介绍主成分分析的原理和应用。

1. 问题描述假设我们有一个包含10个变量的数据集，每个变量都与某个特定的因素相关。

我们希望通过主成分分析来降低数据的维度，并找出对总体方差贡献最大的主成分。

2. 数据预处理在进行主成分分析之前，我们需要对数据进行预处理。

首先，我们需要对数据进行标准化，使得每个变量具有相同的尺度。

这样可以避免某些变量的值对主成分分析结果造成过大的影响。

其次，我们计算数据的协方差矩阵。

协方差矩阵描述了各个变量之间的线性关系。

通过计算协方差矩阵，我们可以得到数据中的主要结构和模式。

3. 特征值分解在得到协方差矩阵之后，我们对其进行特征值分解。

特征值分解可以将协方差矩阵分解为特征值和特征向量的乘积。

特征值表示了每个特征向量对应的主成分解释的方差。

特征向量则表示了每个主成分的权重。

对于该例题，我们得到了10个特征值和10个特征向量。

我们可以通过排序特征值的大小，找出贡献最大的主成分。

4. 主成分的选择通常情况下，我们选择前k个特征值对应的特征向量作为主成分。

这样可以保留数据中大部分的结构和模式。

在该例题中，假设前3个特征值分别为λ1、λ2和λ3，并对应的特征向量分别为v1、v2和v3。

我们选择前3个特征值对应的特征向量作为主成分。

5. 降维和重构通过选择主成分，我们可以将数据从原先的10维降到3维。

其中，每个样本在新的3维空间中的坐标可以通过与主成分的内积计算得到。

此外，我们还可以通过主成分将数据从降维空间重新投影回原始空间。

这样可以保留主成分中所包含的结构和模式。

6. 结论通过主成分分析，我们成功地降低了数据的维度，并找到了对总体方差贡献最大的主成分。

这样的降维操作可以减少特征空间的维度，并提取出数据中的重要信息。

主成分分析实例和含义讲解1.数据标准化：对原始数据进行标准化处理，使得每个变量的均值为0，方差为1、这一步是为了将不同量级的变量进行比较。

2.计算协方差矩阵：根据标准化后的数据，计算协方差矩阵。

协方差矩阵反映了各个变量之间的线性关系。

3.特征值分解：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。

特征值表示了各个特征向量的重要程度。

4.选择主成分：根据特征值的大小，选择前k个特征向量作为主成分，k通常是根据主成分所解释的方差比例进行确定。

5.数据投影：将原始数据投影到选取的主成分上，得到降维后的数据。

主成分分析的含义可以从两个方面来解释。

一方面，主成分分析表示了原始数据在新坐标系下的投影，可以帮助我们理解数据的结构和变化。

通过选择前几个主成分，我们可以找到最能够代表原始数据的几个因素，从而实现数据的降维。

例如，在一个包含多个变量的数据集中，如果我们选择了前两个主成分，那么我们可以通过绘制数据在这两个主成分上的投影，来理解数据的分布和变化规律。

同时，主成分的累计方差贡献率可以帮助我们评估所选择的主成分对原始数据方差的解释程度，从而确定降维的精度。

另一方面，主成分分析还可以用于数据的预处理和异常值检测。

通过计算每个变量在主成分上的权重，我们可以判断每个变量对主成分的贡献大小。

如果一些变量的权重很小，那么可以考虑将其从数据集中剔除，从而减少数据的维度和复杂度。

此外，主成分分析还可以检测数据集中的异常值。

在降维的过程中，异常值对主成分的计算结果会产生较大的影响，因此可以通过比较各个主成分的方差贡献率，来识别可能存在的异常值。

总之，主成分分析是一种常用的数据降维方法，它能够帮助我们理解数据集的结构，并鉴别对数据变化影响最大的因素。

通过选择适当的主成分，我们可以实现数据的降维和可视化，并对异常值进行检测。

在实际应用中，主成分分析常常与其他数据挖掘和机器学习方法结合使用，从而发现数据的隐藏模式和关联规则，提高数据分析的效果和准确性。

1、主成分法：用主成分法寻找公共因子的方法如下：假定从相关阵出发求解主成分，设有p 个变量，则可找出p 个主成分。

将所得的p 个主成分按由大到小的顺序排列，记为1Y ，2Y ，…，P Y ， 则主成分与原始变量之间存在如下关系：11111221221122221122....................p p p p pp p pp p Y X X X Y X X X Y X X Xγγγγγγγγγ=+++⎧⎪=+++⎪⎨⎪⎪=+++⎩ 式中，ij γ为随机向量X 的相关矩阵的特征值所对应的特征向量的分量，因为特征向量之间彼此正交，从X 到Y 得转换关系是可逆的，很容易得出由Y 到X 得转换关系为：11112121212122221122....................p p p p pp p pp p X Y Y Y X Y Y Y X Y Y Yγγγγγγγγγ=+++⎧⎪=+++⎪⎨⎪⎪=+++⎩ 对上面每一等式只保留钱m 个主成分而把后面的部分用i ε代替，则上式变为：1111212112121222221122....................m m m m p p p mp m p X Y Y Y X Y Y Y X Y Y Y γγγεγγγεγγγε=++++⎧⎪=++++⎪⎨⎪⎪=++++⎩上式在形式上已经与因子模型相一致，且i Y （i=1,2，…，m ）之间相互独立，且i Y 与i ε之间相互独立，为了把i Y 转化成合适的公因子，现在要做的工作只是把主成分i Y 变为方差为1的变量。

为完成此变换，必须将i Y 除以其标准差，由主成分分析的知识知其标准差即为特征根的平方根/i i F Y =，12m ，则式子变为：1111122112211222221122....................m m m m p p p pm m p X a F a F a F X a F a F a F X a F a F a F εεε=++++⎧⎪=++++⎪⎨⎪⎪=++++⎩这与因子模型完全一致，这样，就得到了载荷A 矩阵和 初始公因子(未旋转)。

主成分分析法概念及例题主成分分析法主成分分析principal components analysisPCA又称主分量分析主成分回归分析法目归归示??1 什归是主成分分析法??2 主成分分析的基本思想??3 主成分分析法的基本原理??4 主成分分析的主要作用??5 主成分分析法的归算步归??6 主成分分析法的归用分析 o 6.1 案例一主成分分析法在酒归味归价分析中的归用啤1 6.1.1 1 材料方法与6.1.2 2 主成分分析法的基本原理6.1.3 3 主成分分析法在酒归量一致性归价中的归用啤6.1.4 4 归归??7 考文参献归归什归是主成分分析法主成分分析也称主分量分析旨在利用降归的思想把多指归归化归少归合指归。

数几个在归归学中主成分分析principal components analysisPCA是一归归化据集的技归。

数它是一归性归归。

归归归把据归归到一新的坐归系归中使得任何据投影的第一大个个数个数方差在第一坐个归归第一主成分称上第二大方差在第二坐归个第二主成分上依次归推。

主成分分析归常用减少据集的归同归保持据集的归数数数方差归最大的特征。

归是通归保留低归主成分忽略高归主成分献做到的。

归归低归成分往往能归保留住据的最重要方面。

但是归也不是一定的要归具归用而定。

数体归归主成分分析的基本思想在归归归归究中归了全面、系归地分析归归我归必归考归多影因素。

归些涉及的因素一般归指研众响称归在多元归归分析中也归称归量。

因归每归量都在不同程度上反映了所究归归的某些信息且指归个研并之归彼此有一定的相归性因而所得的归归据数反映的信息在一定程度上有重。

在用叠归归方法究多研1归量归归归归量太多增加归算量和增加分析归归的归归性人归希望在归行会定量分析的归程中涉及的归量归少得到的信息量归多。

主成分分析正是适归归一要求归生的是解归归归的理想工具。

决同归在科普效果归的归程中也存在着归归的归归。

科普效果是归具量化的。

在归归归工作中估很体估我归常常归用有代表性的归合指归采用打分的方法归行归故归合指归的归取是重点和归会几个来估个点。