【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
闻缺陷则喜何志丹4 分钟前
【动态规划】P3609 [USACO17JAN] Hoof, Paper, Scissor G
c++·算法·动态规划·洛谷
zx_7414848120 分钟前
【机器学习入门】PyTorch 神经网络、卷积神经网络 CNN 实现矿物分类
pytorch·神经网络·机器学习
程序猿编码28 分钟前
基于GGML的C++17轻量化语音推理引擎:说话人识别与语音分析技术全解析
开发语言·c++·pytorch·深度学习·神经网络·大模型
leihefeng34 分钟前
手写数字识别:KNN vs 逻辑回归实战
python·算法·机器学习·逻辑回归·scikit-learn
VL——MOESR37 分钟前
【具身智能】TurboVLA阅读随笔
论文阅读·机器学习·turbo·具身智能·vla
张欣-男1 小时前
5分钟理解线性代数v2
人工智能·线性代数·机器学习
全栈技术负责人1 小时前
DeepSeek Harness 业务工具权限插件 dsh-tool-permission设计思路
网络·算法·ai·ai编程
mmmmath_31 小时前
面试题 02.07. 链表相交
算法·链表
是翎2 小时前
Vibe Coding零基础入门:六步工作流拆解
大数据·人工智能·学习·机器学习·数据挖掘
residual_fan2 小时前
特征级SMOTE(Feature-level SMOTE)论文分享
人工智能·算法·数据挖掘·数据分析