京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
为什么要进行数据降维?因为实际情况中我们的训练数据会存在特征过多或者是特征累赘的问题,比如:
一个关于汽车的样本数据,一个特征是”km/h的最大速度特征“,另一个是”英里每小时“的最大速度特征,很显然这两个特征具有很强的相关性
拿到一个样本,特征非常多,样本缺很少,这样的数据用回归去你和将非常困难,很容易导致过度拟合
PCA算法就是用来解决这种问题的,其核心思想就是将 n 维特征映射到 k 维上(k < n),这="" k="" 维是全新的正交特征。我们将这="" k="" 维成为主元,是重新构造出来的="" k="" 维特征,而不是简单地从="" n="" 维特征中取出其余="" n-k="">
PCA 的计算过程
假设我们得到 2 维数据如下:
其中行代表样例,列代表特征,这里有10个样例,每个样例有2个特征,我们假设这两个特征是具有较强的相关性,需要我们对其进行降维的。
第一步:分别求 x 和 y 的平均值,然后对所有的样例都减去对应的均值
这里求得 x 的均值为 1.81 , y 的均值为 1.91,减去均值后得到数据如下:
注意,此时我们一般应该在对特征进行方差归一化,目的是让每个特征的权重都一样,但是由于我们的数据的值都比较接近,所以归一化这步可以忽略不做
第一步的算法步骤如下:

第四步:将特征值从大到小进行排序,选择其中最大的 k 个,然后将其对应的 k 个特征向量分别作为列向量组成特征矩阵
这里的特征值只有两个,我们选择最大的那个,为: 1.28402771 ,其对应的特征向量为:
注意:matlab 的 eig 函数求解协方差矩阵的时候,返回的特征值是一个特征值分布在对角线的对角矩阵,第 i 个特征值对应于第 i 列的特征向量
第五步: 将样本点投影到选取的特征向量上
假设样本列数为 m ,特征数为 n ,减去均值后的样本矩阵为 DataAdjust(m*n),协方差矩阵为 n*n ,选取 k 个特征向量组成后的矩阵为 EigenVectors(n*k),则投影后的数据 FinalData 为:
FinalData (m*k) = DataAdjust(m*n) X EigenVectors(n*k)
得到的结果是:
这样,我们就将 n 维特征降成了 k 维,这 k 维就是原始特征在 k 维上的投影。
整个PCA的过程貌似很简单,就是求协方差的特征值和特征向量,然后做数据转换。但为什么协方差的特征向量就是最理想的 k 维向量?这个问题由PCA的理论基础来解释。
PCA 的理论基础
关于为什么协方差的特征向量就是 k 维理想特征,有3个理论,分别是:
最大方差理论
最小错误理论
坐标轴相关度理论
这里简单描述下最大方差理论:
最大方差理论
信号处理中认为信号具有较大的方差,噪声有较小的方差,信噪比就是信号与噪声的方差比,越大越好。因此我们认为,最好的 k 为特征既是将 n 维样本点转换为 k 维后,每一维上的样本方差都很大
PCA 处理图解如下:
降维转换后:
上图中的直线就是我们选取的特征向量,上面实例中PCA的过程就是将空间的2维的点投影到直线上。
那么问题来了,两幅图都是PCA的结果,哪一幅图比较好呢?
根据最大方差理论,答案是左边的图,其实也就是样本投影后间隔较大,容易区分。
其实从另一个角度看,左边的图每个点直线上的距离绝对值之和比右边的每个点到直线距离绝对值之和小,是不是有点曲线回归的感觉?其实从这个角度看,这就是最小误差理论:选择投影后误差最小的直线。
再回到上面的左图,也就是我们要求的最佳的 u ,前面说了,最佳的 u 也就是最佳的曲线,它能够使投影后的样本方差最大或者是误差最小。
另外,由于我们前面PCA算法第一步的时候已经执行对样本数据的每一维求均值,并让每个数据减去均值的预处理了,所以每个特征现在的均值都为0,投影到特征向量上后,均值也为0.因此方差为:


最佳投影直线就是特征值 λ 最大是对应的特征向量,其次是 λ 第二大对应的特征向量(求解的到的特征向量都是正交的)。其中 λ 就是我们的方差,也对应了我们前面的最大方差理论,也就是找到能够使投影后方差最大的直线。
Python实现
1.代码实现
伪代码如下(摘自机器学习实战):

2.代码下载
下载地址: https://github.com/jimenbian/PCA
loadDataSet函数是导入数据集。
PCA输入参数:参数一是输入的数据集,参数二是提取的维度。比如参数二设为1,那么就是返回了降到一维的矩阵。
PCA返回参数:参数一指的是返回的低维矩阵,对应于输入参数二。参数二对应的是移动坐标轴后的矩阵。
上一张图,绿色为原始数据,红色是提取的2维特征。
Matlab 实现
function [lowData,reconMat] = PCA(data,K)[row , col] = size(data);meanValue = mean(data);%varData = var(data,1,1);normData = data - repmat(meanValue,[row,1]);covMat = cov(normData(:,1),normData(:,2));%求取协方差矩阵[eigVect,eigVal] = eig(covMat);%求取特征值和特征向量[sortMat, sortIX] = sort(eigVal,'descend');[B,IX] = sort(sortMat(1,:),'descend');len = min(K,length(IX));eigVect(:,IX(1:1:len));lowData = normData * eigVect(:,IX(1:1:len));reconMat = (lowData * eigVect(:,IX(1:1:len))') + repmat(meanValue,[row,1]); % 将降维后的数据转换到新空间end
调用方式
function testPCA%%clcclearclose all%%filename = 'testSet.txt';K = 1;data = load(filename);[lowData,reconMat] = PCA(data,K);figurescatter(data(:,1),data(:,2),5,'r')hold onscatter(reconMat(:,1),reconMat(:,2),5)hold offend
效果图

数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
【核心关键词】贷款、报表、课程、专业、建模、缺失值、营销、互联网、银行、办公自动化、数据分析、数据预处理、特征工程、贷 ...
2026-06-05在数据库数据查询、业务报表统计、多表关联分析中,LEFT JOIN左连接是使用率最高的SQL关联查询语句。其核心特性是保留左表全部数 ...
2026-06-05 很多数据分析师能熟练地写SQL、做透视表、算描述性统计,但当被问到“如何预测用户流失概率”“如何归因销量下滑的关键因素 ...
2026-06-05任何一款产品从诞生、普及到最终退出市场,都会遵循一套固定的发展规律,这就是产品生命周期理论。在市场竞争日益激烈、产品迭代 ...
2026-06-04在Excel数据分析、办公统计、业务报表制作场景中,数据透视表是数据汇总、分类统计、快速复盘的核心工具,能够高效完成海量原始 ...
2026-06-04 很多数据分析师拿到数据就开始清洗、建模,但当被问到“这批数据属于什么类型——结构化还是非结构化?分类变量还是数值变量 ...
2026-06-04在问卷调查与社会科学数据分析中,卡方检验是最常用、最基础的非参数检验方法,广泛应用于市场调研、用户分析、行为统计、满意度 ...
2026-06-03【核心关键词】贷款、报表、课程、专业、建模、缺失值、营销、互联网、银行、办公自动化、数据分析、数据预处理、特征工程、贷 ...
2026-06-03 很多数据分析师画过趋势图、做过业绩预测,但当被问到“这个月销售额增长20%,到底是长期趋势自然增长,还是促销活动的短期 ...
2026-06-03逻辑回归是数据分析、机器学习、统计建模中应用最广泛的二分类预测模型,常用于风险判断、行为预测、归因分析等场景。在SPSS、Py ...
2026-06-02数字经济时代,市场竞争日趋同质化,用户消费需求愈发个性化、多元化,传统依托经验、粗放式、广撒网的营销模式弊端日益凸显。长 ...
2026-06-02 很多数据分析师做过按月份的销售额趋势图,画过按天的流量折线图,但当被问到“时间序列和普通数据有什么本质区别”“季节性 ...
2026-06-02在市场竞争日趋饱和、用户需求不断细分的当下,企业创业创新、产品迭代与市场拓展不再依赖经验决策,而是需要系统化、工具化的商 ...
2026-06-01【核心关键词】调度、岗位、数据库、企业、报表、培训、程序、数据分析、数据加工、业务部门、企业数据、调度工具、业务指标、 ...
2026-06-01 很多数据分析师能熟练地计算指标、搭建标签体系,但当被问到“画像到底在解决什么问题”“画像和标签是什么关系”“画像如何 ...
2026-06-01在数据统计分析、数据清洗、异常值识别与数据分布研究中,箱型图是最直观、高效、专业的可视化分析工具。相较于柱状图、折线图仅 ...
2026-05-29Tkinter是Python内置的标准GUI图形界面库,具备无需额外安装、调用简单、兼容性强、轻量化高效等优势,是Python快速开发桌面小程 ...
2026-05-29 很多分析师在设计标签时思路清晰,但真到落地环节却面临“数据在手,不知如何转化为可用标签”的困境:或因加工方式选择不当 ...
2026-05-29【核心关键词】大数据、经理、专业、金融、客户、传统、建模、数据产品、互联网金融、产品经理、数据分析、金融行业、数据模型 ...
2026-05-28 很多分析师每天和数据打交道,但当被问到“标签是什么”“标签和指标有什么区别”“标签体系如何设计”时,却常常答不上来。 ...
2026-05-28