京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
1. 问题
真实的训练数据总是存在各种各样的问题:
1、 比如拿到一个汽车的样本,里面既有以“千米/每小时”度量的最大速度特征,也有“英里/小时”的最大速度特征,显然这两个特征有一个多余。
2、 拿到一个数学系的本科生期末考试成绩单,里面有三列,一列是对数学的兴趣程度,一列是复习时间,还有一列是考试成绩。我们知道要学好数学,需要有浓厚的兴趣,所以第二项与第一项强相关,第三项和第二项也是强相关。那是不是可以合并第一项和第二项呢?
3、 拿到一个样本,特征非常多,而样例特别少,这样用回归去直接拟合非常困难,容易过度拟合。比如北京的房价:假设房子的特征是(大小、位置、朝向、是否学区房、建造年代、是否二手、层数、所在层数),搞了这么多特征,结果只有不到十个房子的样例。要拟合房子特征->房价的这么多特征,就会造成过度拟合。
4、 这个与第二个有点类似,假设在IR中我们建立的文档-词项矩阵中,有两个词项为“learn”和“study”,在传统的向量空间模型中,认为两者独立。然而从语义的角度来讲,两者是相似的,而且两者出现频率也类似,是不是可以合成为一个特征呢?
5、 在信号传输过程中,由于信道不是理想的,信道另一端收到的信号会有噪音扰动,那么怎么滤去这些噪音呢?
回顾我们之前介绍的《模型选择和规则化》,里面谈到的特征选择的问题。但在那篇中要剔除的特征主要是和类标签无关的特征。比如“学生的名字”就和他的“成绩”无关,使用的是互信息的方法。
而这里的特征很多是和类标签有关的,但里面存在噪声或者冗余。在这种情况下,需要一种特征降维的方法来减少特征数,减少噪音和冗余,减少过度拟合的可能性。
下面探讨一种称作主成分分析(PCA)的方法来解决部分上述问题。PCA的思想是将n维特征映射到k维上(k<n),这k维是全新的正交特征。这k维特征称为主元,是重新构造出来的k维特征,而不是简单地从n维特征中去除其余n-k维特征。
2. PCA计算过程
首先介绍PCA的计算过程:
假设我们得到的2维数据如下:
行代表了样例,列代表特征,这里有10个样例,每个样例两个特征。可以这样认为,有10篇文档,x是10篇文档中“learn”出现的TF-IDF,y是10篇文档中“study”出现的TF-IDF。也可以认为有10辆汽车,x是千米/小时的速度,y是英里/小时的速度,等等。
第一步分别求x和y的平均值,然后对于所有的样例,都减去对应的均值。这里x的均值是1.81,y的均值是1.91,那么一个样例减去均值后即为(0.69,0.49),得到
第二步,求特征协方差矩阵,如果数据是3维,那么协方差矩阵是
这里只有x和y,求解得
对角线上分别是x和y的方差,非对角线上是协方差。协方差大于0表示x和y若有一个增,另一个也增;小于0表示一个增,一个减;协方差为0时,两者独立。协方差绝对值越大,两者对彼此的影响越大,反之越小。
上面是两个特征值,下面是对应的特征向量,特征值0.0490833989对应特征向量为
,这里的特征向量都归一化为单位向量。
第四步,将特征值按照从大到小的顺序排序,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向量矩阵。
这里特征值只有两个,我们选择其中最大的那个,这里是1.28402771,对应的特征向量是
。
第五步,将样本点投影到选取的特征向量上。假设样例数为m,特征数为n,减去均值后的样本矩阵为DataAdjust(m*n),协方差矩阵是n*n,选取的k个特征向量组成的矩阵为EigenVectors(n*k)。那么投影后的数据FinalData为
这里是
FinalData(10*1) = DataAdjust(10*2矩阵)×特征向量
得到结果是
这样,就将原始样例的n维特征变成了k维,这k维就是原始特征在k维上的投影。
上面的数据可以认为是learn和study特征融合为一个新的特征叫做LS特征,该特征基本上代表了这两个特征。
上述过程有个图描述:
正号表示预处理后的样本点,斜着的两条线就分别是正交的特征向量(由于协方差矩阵是对称的,因此其特征向量正交),最后一步的矩阵乘法就是将原始样本点分别往特征向量对应的轴上做投影。
如果取的k=2,那么结果是
这就是经过PCA处理后的样本数据,水平轴(上面举例为LS特征)基本上可以代表全部样本点。整个过程看起来就像将坐标系做了旋转,当然二维可以图形化表示,高维就不行了。上面的如果k=1,那么只会留下这里的水平轴,轴上是所有点在该轴的投影。
这样PCA的过程基本结束。在第一步减均值之后,其实应该还有一步对特征做方差归一化。比如一个特征是汽车速度(0到100),一个是汽车的座位数(2到6),显然第二个的方差比第一个小。因此,如果样本特征中存在这种情况,那么在第一步之后,求每个特征的标准差
,然后对每个样例在该特征下的数据除以
。
归纳一下,使用我们之前熟悉的表示方法,在求协方差之前的步骤是:
其中
是样例,共m个,每个样例n个特征,也就是说
是n维向量。
是第i个样例的第j个特征。
是样例均值。
是第j个特征的标准差。
整个PCA过程貌似及其简单,就是求协方差的特征值和特征向量,然后做数据转换。但是有没有觉得很神奇,为什么求协方差的特征向量就是最理想的k维向量?其背后隐藏的意义是什么?整个PCA的意义是什么?
3. PCA理论基础
要解释为什么协方差矩阵的特征向量就是k维理想特征,我看到的有三个理论:分别是最大方差理论、最小错误理论和坐标轴相关度理论。这里简单探讨前两种,最后一种在讨论PCA意义时简单概述。
3.1 最大方差理论
在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。如前面的图,样本在横轴上的投影方差较大,在纵轴上的投影方差较小,那么认为纵轴上的投影是由噪声引起的。
因此我们认为,最好的k维特征是将n维样本点转换为k维后,每一维上的样本方差都很大。
比如下图有5个样本点:(已经做过预处理,均值为0,特征方差归一)
下面将样本投影到某一维上,这里用一条过原点的直线表示(前处理的过程实质是将原点移到样本点的中心点)。
假设我们选择两条不同的直线做投影,那么左右两条中哪个好呢?根据我们之前的方差最大化理论,左边的好,因为投影后的样本点之间方差最大。
这里先解释一下投影的概念:
红色点表示样例
,蓝色点表示
在u上的投影,u是直线的斜率也是直线的方向向量,而且是单位向量。蓝色点是
在u上的投影点,离原点的距离是
(即
或者
)由于这些样本点(样例)的每一维特征均值都为0,因此投影到u上的样本点(只有一个到原点的距离值)的均值仍然是0。
回到上面左右图中的左图,我们要求的是最佳的u,使得投影后的样本点方差最大。
由于投影后均值为0,因此方差为:
中间那部分很熟悉啊,不就是样本特征的协方差矩阵么(
的均值为0,一般协方差矩阵都除以m-1,这里用m)。
用
来表示
,
表示
,那么上式写作
由于u是单位向量,即
,上式两边都左乘u得,
即
We got it!
就是
的特征值,u是特征向量。最佳的投影直线是特征值
最大时对应的特征向量,其次是
第二大对应的特征向量,依次类推。数据分析师培训
因此,我们只需要对协方差矩阵进行特征值分解,得到的前k大特征值对应的特征向量就是最佳的k维新特征,而且这k维新特征是正交的。得到前k个u以后,样例
通过以下变换可以得到新的样本。
其中的第j维就是
上的投影。
通过选取最大的k个u,使得方差较小的特征(如噪声)被丢弃。
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】客户、数据分析、指标体系、数据采集、数据指标、业务数据、分析思路、业务需求、分析方法 【专访摘要】本次 CDA ...
2026-07-24在数据分析、业务建模与数字化运营体系中,原始业务数据普遍存在缺失、重复、异常、口径不一致等质量问题,直接用于分析与建模会 ...
2026-07-24 很多数据分析师能熟练计算均值、标准差,但当被问到“如何用一张图让业务方3秒内看懂核心结论”“面对不同数据类型该怎么选 ...
2026-07-24在数据驱动的精细化运营体系中,指标是业务判断、效果复盘、策略优化的核心依据。随着企业数据化程度提升,指标数量持续膨胀,但 ...
2026-07-23在用户运营与产品增长体系中,留存是衡量产品真实价值与用户粘性的核心标尺,也是决定用户生命周期价值、获客投产比的底层因素。 ...
2026-07-23 很多数据分析师精通Excel、SQL、Python等工具,但当被问到“面对一个具体的业务问题,该用什么分析方法”“描述性分析和诊断 ...
2026-07-23【核心关键词】埋点、产品、互联网、数据库、决策、数据分析、产品经理、商业模式、移动互联网、指标体系、运营模块、大数据平 ...
2026-07-22在高并发、大数据量的业务系统中,单表数据量达到千万级甚至亿级后,会出现查询性能骤降、索引维护成本飙升、存储扩容困难等问题 ...
2026-07-22 很多企业团队并非缺乏指标,而是陷入“指标失控”:仪表盘上堆满实时跳动的数据,却无法回答“当前瓶颈在哪、下一步该做什么 ...
2026-07-22在金融风控、企业运营、行业研究等数据分析场景中,大量数据以面板数据形态存在:例如多家分支机构连续多个季度的风险指标、多位 ...
2026-07-21 很多数据分析师每天都在计算指标、制作报表,但当被问到“什么叫指标数据元”“指标数据标准包含哪些核心维度”“指标数据质 ...
2026-07-21一、活动介绍 2026暑期CDA备考冲刺季,为想利用假期拿证的你量身打造。考点胶囊内容搭配多重硬核福利,让你在旅行、实习、居家 ...
2026-07-21金融行业的运营风险贯穿业务全流程,涵盖交易欺诈、操作违规、流程漏洞、合规偏差、客户信用异常等多元场景,是银行、保险、证券 ...
2026-07-17财产保险作为金融行业的核心板块,涵盖车险、家财险、责任险、企财险等多元品类,是个人与企业抵御财产风险、经营风险的重要保障 ...
2026-07-17 很多数据分析师能熟练写SQL、做透视表,但当被问到“数据是从哪里来的?经过哪些加工才进入数据仓库?ETL具体做了什么?”时 ...
2026-07-17【核心关键词】模块、餐饮、客户、门店、企业、订单、供应链、多样化、产品、生产计划、数据分析、生产管理、物料管理、业务分 ...
2026-07-16在数字化分析时代,原始数据本身不具备业务价值,只有通过科学的统计学方法加工、拆解、验证与解读,才能挖掘数据背后的规律、差 ...
2026-07-16 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 ...
2026-07-16在描述性统计分析、数据预处理、异常值排查与多组数据分布对比工作中,箱线图(Box Plot)是应用最广泛的可视化与统计工具之一。 ...
2026-07-15在企业数据存储、业务统计与数据分析工作中,绝大多数业务数据都带有时间维度属性,例如订单创建时间、用户注册时间、支付完成时 ...
2026-07-15