5.1 用主成分分析实现无监督降维_Python机器学习（原书第3版）-QQ阅读男生科幻网

书名：Python机器学习（原书第3版）
作者名：(美)塞巴斯蒂安·拉施卡瓦希德·米尔贾利利
本章字数：3826字
更新时间：2021-06-11 16:13:50

5.1　用主成分分析实现无监督降维

与特征选择类似，我们可以用不同的特征提取技术来减少数据集的特征数量。特征选择和特征提取的区别在于，当我们用诸如逆序选择之类的特征选择算法时，数据集的原始特征保持不变，而当我们用特征提取方法时，会将数据变换或投影到新特征空间。

在降维的背景下，我们可以把特征提取理解为数据压缩的一种方法，其目的是保持大部分的相关信息。在实际应用中，特征提取不仅可以优化存储空间或机器学习算法的计算效率，而且还可以通过减少维数诅咒提高预测性能，尤其是当我们处理非正则化模型的时候。

5.1.1　主成分分析的主要步骤

我们将在本书讨论主成分分析（PCA），这是一种无监督的线性变换技术，广泛应用于各种不同领域，特别是特征提取和降维。PCA的其他流行应用包括股票市场交易的探索性数据分析和去噪，以及生物信息学的基因组数据和基因表达水平分析。

PCA帮助我们根据特征之间的相关性来识别数据中的模式。简单地说，PCA旨在寻找高维数据中存在最大方差的方向，并将数据投影到维数小于或等于原始数据的新子空间。假设新特征轴彼此正交，该空间的正交轴（主成分）可以解释为方差最大的方向，如图5-1所示。其中x1和x2为原始特征轴，而PC1和PC2为主成分方向。

图　5-1

如果用PCA降维，我们可以构建d×k维的变换矩阵W，它能把训练样本的特征向量x映射到新的k维特征子空间，该空间的维数比原来的d维特征空间要少。例如，假设我们有一个特征向量x：

接着通过一个变换矩阵 107-03 进行变换：

xW=z

结果以向量方式表达如下：

在原高维数据转换到k维新子空间（通常k≤d）的结果中，第一主成分的方差最大。假设这些成分与主成分之间互不相关（正交），那么所有的后续主成分都有最大的方差，即使输入特征相关，结果主成分也都相互正交（无关）。请注意，PCA的方向对数据尺度非常敏感，需要在进行PCA之前对特征进行标准化，如果以不同的尺度测量特征值，则需要确保所有特征的重要性保持均衡。

在深入讨论PCA降维算法之前，先用几个简单的步骤来概括该方法：

1）标准化d维数据集。

2）构建协方差矩阵。

3）将协方差矩阵分解为特征向量和特征值。

4）以降序对特征值排序，从而对相应的特征向量排序。

5）选择对应k个最大特征值的k个特征向量，其中k为新特征子空间的维数（k≤d）。

6）由前k个特征向量构造投影矩阵W。

7）用投影矩阵W变换d维输入数据集X以获得新的k维特征子空间。

下面我们先用Python逐步实现一个PCA的示例。然后再展示如何用scikit-learn更便捷地实现PCA。

5.1.2　逐步提取主成分

我们将在本小节讨论PCA的前四个步骤：

1）标准化数据集。

2）构建协方差矩阵。

3）获取协方差矩阵的特征值和特征向量。

4）以降序对特征值排序，从而对特征向量排序。

第1步，我们从加载在第4章中一直使用的葡萄酒数据集开始：

008-01

获取葡萄酒数据集

如果你是脱机工作或者UCI的服务器（https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/wine/wine.data）暂时宕机的话，可以从本书的代码包中找到葡萄酒数据集（以及本书用到的其他全部数据集）。

要从本地目录加载葡萄酒数据集，可以把下面的命令：

换成：

然后，我们将按照7：3的比例，把葡萄酒数据分割成独立的训练数据集和测试数据集，并且标准化为单位方差：

在执行完前面的代码完成必要的预处理之后，我们会继续进行第2步，即构造协方差矩阵。d×d维对称协方差矩阵，其中d为数据集的维数，该矩阵成对地存储不同特征之间的协方差。例如特征xj和xk之间的整体协方差可以通过以下的方程计算：

其中μj和μk分别为特征j和k的样本均值。请注意，如果我们把数据集标准化，那么样本的均值将为零。两个特征之间的正协方差表示特征值在相同的方向上增加或减少，而负协方差则表示特征在相反方向上变化。例如，我们可以把三个特征的协方差矩阵写成（请注意∑是希腊字母sigma的大写形式，不要与求和符号混淆）：

协方差矩阵的特征向量代表主成分（最大方差的方向），而相应的特征值将定义它们的大小。我们将从葡萄酒数据集的13×13维协方差矩阵中获得13个特征向量和特征值。

第3步，获得协方差矩阵的特征值和特征向量。正如我们在前面讲述线性代数时介绍过的，特征向量v满足以下条件：

∑ν=λν

这里λ是标量，即特征值。由于特征向量和特征值的手工计算很烦琐，所以我们将调用NumPy的linalg.eig函数来获得葡萄酒数据集协方差矩阵的特征向量和特征值：

我们用numpy.cov函数计算标准化的训练数据集的协方差矩阵。用linalg.eig函数完成特征分解，从而产生包含13个特征值的向量（eigen_vals），所对应的特征向量存储在13×13维矩阵（eigen_vecs）的列中。

008-01

用Numpy进行特征分解

numpy.linalg.eig函数可以处理对称和非对称方阵操作。但是你可能会发现，在某些情况下它会返回复特征值。

numpy.linalg.eigh是一个相关函数，它可以分解埃尔米特（Hermetian）矩阵，从数值的角度来说，这是一个解决对称矩阵（例如协方差矩阵）的更稳定的方法，numpy.linalg.eigh始终返回实特征值。

5.1.3　总方差和解释方差

因为我们想要通过将数据集压缩到新特征子空间来降低维数，所以只选择包含最多信息（方差）的特征向量（主成分）的子集。特征值代表特征向量的大小，通过对特征值的降序排列，我们可以找出前k个最重要的特征向量。但是，在收集k个信息最丰富的特征向量之前，我们先把特征值的方差解释比画出来。特征值λj的方差解释比就是特征值λj与特征值总和之比：

调用NumPy的cumsum函数，我们可以计算出解释方差和，然后可以用Matplotlib的step函数绘图：

结果表明，第一主成分本身占方差的40%左右。此外，我们还可以看到把前两个主成分结合起来可以解释数据集中几乎60%的方差，如图5-2所示。

图　5-2

虽然解释方差图让我们回想起第4章中通过随机森林计算的特征重要值，但是要注意，PCA是一种无监督学习方法，这意味着有关分类标签的信息会被忽略。随机森林用类成员信息计算节点的杂质度，方差测量值沿特征轴的传播。

5.1.4　特征变换

在成功地把协方差矩阵分解为特征对之后，我们现在接着完成最后的三个步骤（5～7），将葡萄酒数据集变换到新的主成分轴。其余的步骤如下：

5）选择与前k个最大特征值对应的k个特征向量，其中k为新特征子空间的维数（k≤d）。

6）用前k个特征向量构建投影矩阵W。

7）用投影矩阵W变换d维输入数据集X以获得新的k维特征子空间。

通俗地说，我们将把特征对按特征值降序排列，从所选的特征向量构建投影矩阵，用投影矩阵把数据变换到低维子空间。

从把特征对按特征值降序排列开始：

接着，我们收集对应前两个最大特征值的特征向量，从数据集中捕获大约60%的方差。请注意，我们在这里只选择两个特征向量来说明问题，因为本小节后面将在二维散点图中绘制数据。在实践中，主成分的数量必须通过计算效率和分类器性能之间的权衡来确定：

执行代码，依据前两个特征向量创建一个13×2维的投影矩阵W。

008-01

镜像投影

取决于你所用NumPy和LAPACK的具体版本，得到的矩阵W的正负号可能相反。请注意，这并不是个问题。如果v是矩阵∑的一个特征向量，那么我们有：

∑ν=λν

这里λ为特征向量，而-v也是一个特征向量，下面可以证明。用基本代数知识，我们可以在等式的两边乘以标量α：

α∑ν=αλν

因为矩阵乘法与标量乘法存在着关联性，所以我们可以得到下面的结果：

∑（αν）=λ（αν）

现在，我们可以看到αv是一个有相同特征值λ的特征向量，无论α=1还是α=-1，因此，v与-v都是特征向量。

现在，我们可以用投影矩阵将示例x（表示为13维的行向量）变换到PCA子空间（主成分1和2），从而获得x′，即由两个新特征组成的二维示例向量：

x′=xW

类似地，我们可以通过计算矩阵点积将整个124×13维训练数据集变换成两个主成分：

X′=XW

最后我们把目前存储为124×2维矩阵的葡萄酒训练数据集在二维散点图上完成可视化：

从结果图中我们可以看到，与第二主成分（y轴）相比，数据更多的是沿着x轴（第一主成分）传播，这与前面得出的解释方差比结论一致。然而，这里线性分类器就能够很好地区分不同的类别，如图5-3所示。

图　5-3

虽然在图5-3中我们对分类标签信息进行了编码，但是必须要记住，PCA是一种不使用任何分类标签信息的无监督学习技术。

5.1.5　用scikit-learn实现主成分分析

在前一小节中，我们的详细解释对掌握PCA的内部运作很有帮助。现在，我们将讨论如何使用scikit-learn的PCA类。

PCA是scikit-learn的另一个转换器类，我们首先用训练数据来拟合模型，然后用相同模型参数转换训练数据和测试数据。现在，让我们把scikit-learn中的PCA类应用到葡萄酒训练数据集上，通过逻辑回归分类转换后的样本，调用plot_decision_regions函数（在第2章定义）实现决策区域的可视化。