【第二章:机器学习与神经网络概述】02.降维算法理论与实践-(1)主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)

第二章: 机器学习与神经网络概述

第二部分:降维算法理论与实践

第一节:主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)

内容:协方差矩阵、特征值分解、数据降维。

PCA 是一种经典的线性降维方法,通过找到数据中最重要的方向(主成分),在最大限度保留原始数据信息的前提下,降低维度、去除冗余,常用于数据压缩、可视化、去噪等任务。


一、核心思想

PCA 旨在找到一组新的正交基(主成分),使得原始数据在这些基下的投影具有最大的方差(也即信息量最大)。


二、步骤详解
数据标准化(去中心化)

确保每个特征维度均值为 0:

其中 μ 是每列(特征)的平均值。

计算协方差矩阵

该矩阵反映了各特征之间的线性相关性。

求协方差矩阵的特征值与特征向量
  • 特征向量(v)是新的坐标轴方向;

  • 特征值(λ)表示沿该方向的数据方差大小。

选择前 k 个最大特征值对应的特征向量

构成变换矩阵 ,用于投影降维。

变换数据

得到降维后的数据。

上图展示了 Iris 数据集标准化后特征的协方差矩阵 热力图:

  • 对角线表示各特征自身的方差(均为 1,因为已标准化);

  • 非对角线反映特征之间的线性相关性:

    • 正值表示正相关,例如"花瓣长度"和"花瓣宽度";

    • 负值或接近 0 表示负相关或无明显线性关系;

  • 可据此判断哪些维度信息冗余,有助于降维(如 PCA)时选择保留主成分。

上图展示了 Iris 数据集使用 PCA 降维到二维后的投影结果:

  • 不同颜色表示不同类别的花(setosa、versicolor、virginica);

  • PCA 将原始四维特征(花萼/花瓣长度与宽度)压缩到两个主成分(PC1 与 PC2);

  • 我们可以清晰地看到:第一主成分很好地区分了类别,说明其携带了大量判别性信息。


三、可视化理解
  • 每个主成分是一个最大化投影方差的方向;

  • 第一个主成分最大化全局方差;

  • 第二个主成分与第一个正交,最大化剩余方差。


四、示例代码(基于 scikit-learn)
python 复制代码
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_iris
import matplotlib.pyplot as plt

# 加载数据
data = load_iris()
X = data.data
y = data.target

# PCA降维到2维
pca = PCA(n_components=2)
X_pca = pca.fit_transform(X)

# 可视化
plt.figure(figsize=(6, 5))
plt.scatter(X_pca[:, 0], X_pca[:, 1], c=y, cmap='viridis', edgecolor='k')
plt.title("Iris Dataset PCA (2D)")
plt.xlabel("PC1")
plt.ylabel("PC2")
plt.grid(True)
plt.show()

五、注意事项
  • PCA 是无监督学习方法;

  • 对特征量纲敏感,必须标准化;

  • 仅捕捉线性结构,对非线性结构效果差(可考虑 Kernel PCA)。


六、常见应用
  • 数据压缩(例如图像压缩)

  • 数据可视化(2D 或 3D 展示高维数据)

  • 去噪(保留前几主成分,去掉小特征值部分)

  • 特征提取(机器学习模型的前置处理)

相关推荐
启观川2 小时前
数据结构与算法 -第 3 章 常用算法-动态规划
数据结构·笔记·python·算法
码爸2 小时前
排序算法介绍
python·算法·排序算法
Rocky Ding*2 小时前
MOSS-VL技术原理深度解析:让视觉流持续进入生成过程,实时 Agent 才有架构基础
论文阅读·人工智能·深度学习·机器学习·aigc·多模态·ai-native
田里的水稻3 小时前
EP_ROS2的相机视频流传递说明
数码相机·机器学习
加强洁西卡3 小时前
【AI】机器学习常见的指标及其解释
人工智能·机器学习
动词ing3 小时前
【题目练习】算法 组合总和||
算法
longlongzihan3 小时前
链表找环:Floyd 判圈算法(LeetCode 141 & 142 )
c++·算法·leetcode·链表
面包狗AI4S3 小时前
【AI4S】生化环材高可信技术与产业周报(2026-10-03—2026-10-09)
人工智能·深度学习·机器学习·ai
专业程序开发源3 小时前
flask家电故障预测系统92491-计算机课程设计/毕业设计
vscode·python·sql·算法·flask·课程设计
Logic1013 小时前
C语言/数据结构欧几里得算法题解:长方形切割最大正方形——贪心划分计数
c语言·数据结构·算法·贪心算法·时间复杂度·空间复杂度·欧几里得算法