机器学习---降维算法

【写在前面】

【以下使用的数据量很少很少，因此在散点图中展示不出具体算法特点，请读者自行实验。】
常用的降维算法有主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）、独立成分分析（ICA）、t-SNE等。以下是这些算法的Python代码示例，分享一下我对降维的理解：

对一个样本矩阵,一是换特征,找一组新的特征来重新表示;二是减少特征,新特征的数目要远小于原特征的数目。这样一来就可以得到数量少且比较好的几个变量一构建模型。但是，降维也可能会导致信息的损失和模型的过拟合，因此需要谨慎使用。

1. 创建数据
2. 创建模型对象
3. 拟合数据
4. 转换数据
5. 输出数据

主成分分析（PCA）

原理部分

• 通常把转化生成的综合指标称之为主成分
• 每个主成分都是原始变量的线性组合，且每个主成分之间互不相干
• 主成分分析（PCA）是一种常用的数据降维技术，它通过线性变换将高维数据转换为低维数据，同时保留原始数据的主要特征。PCA的基本思想是将原始数据映射到一个新的坐标系中，使得新坐标系下数据的方差最大化。这个新坐标系的轴称为主成分，每个主成分都是原始数据中的线性组合。PCA的应用广泛，例如在图像处理、信号处理、模式识别、数据挖掘等领域中都有广泛应用。在数据分析中，PCA可以用于降低数据的维度，减少数据冗余，提高数据处理效率，同时也可以帮助我们发现数据的内在结构和规律，从而更好地理解数据。
• 在实际应用中，PCA的步骤主要包括数据标准化、计算协方差矩阵、求解特征值和特征向量、选取主成分和投影数据等。通过PCA，我们可以得到一些重要的结果，例如主成分的贡献率、主成分的方差解释比例、主成分的系数等。这些结果可以帮助我们更好地理解数据的结构和特征，从而为后续的数据分析和建模提供更好的基础。

代码部分

from sklearn.decomposition import PCA
import numpy as np# 创建数据
X = np.array([[1, 2, 3, 6, 10, 22, 3, 2, 3], [4, 5, 6, 8, 9, 23, 5, 2, 6], [7, 8, 9, 10, 2, 24, 9, 9, 5]])# 创建PCA对象
pca = PCA(n_components=2)# 拟合数据
pca.fit(X)# 转换数据
X_new = pca.transform(X)print(X_new)

可视化部分

线性判别分析（LDA）

原理部分

线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，简称LDA）是一种经典的监督学习算法，它既可以作为分类器，也可以作为降维技术。LDA的主要思想是将数据投影到一个低维空间中，使得不同类别之间的距离最大化，同一类别内部的距离最小化。这样可以在保留尽量多的信息的同时，将数据进行有效的分类。LDA的主要步骤包括：

1. 计算每个类别的均值向量和整个数据集的均值向量。
2. 计算类内散度矩阵（within-class scatter matrix）和类间散度矩阵（between-class scatter matrix）。
3. 计算投影矩阵，将数据投影到低维空间中。
4. 使用投影矩阵将数据进行降维或分类。

LDA的优点包括：

1. 在保留尽量多信息的同时，可以将数据进行有效分类。
2. 可以用于降维，减少数据维度，便于可视化和处理。
3. 适用于高维数据集。

LDA的缺点包括：

1. 对于非线性可分的数据集，LDA的效果会受到影响。
2. 对于不平衡的数据集，可能会导致分类结果出现偏差。
3. 在计算类内散度矩阵时，需要计算每个类别的协方差矩阵，如果数据维度很高，计算量会很大。

代码部分

from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis
import numpy as np# 创建数据
X = np.array([[1, 2, 3, 6, 10, 22, 3, 2, 3], [4, 5, 6, 8, 9, 23, 5, 2, 6], [7, 8, 9, 10, 2, 24, 9, 9, 5]])
y = np.array([0, 1, 0])# 创建LDA对象
lda = LinearDiscriminantAnalysis(n_components=1)# 拟合数据
lda.fit(X, y)# 转换数据
X_new = lda.transform(X)print(X_new)

可视化部分

独立成分分析（ICA）

原理部分

• 在机器学习中，ICA被广泛应用于信号处理、图像处理、语音识别等领域。
• ICA的基本思想是：假设存在一组独立的成分，它们通过线性组合形成了观测信号。通过对观测信号进行分解，可以得到独立的成分。
• ICA的目标是找到一组线性变换，使得变换后的信号成分之间相互独立。
• ICA的应用场景包括：语音信号分离、图像分离、生物信号分析等。例如，ICA可以用于将多个人说话的混合语音信号分离成单独的语音信号，或者将一张复杂的图像分解为不同的成分。

代码部分

from sklearn.decomposition import FastICA
import numpy as np# 创建数据
X = np.array([[1, 2, 3, 6, 10, 22, 3, 2, 3], [4, 5, 6, 8, 9, 23, 5, 2, 6], [7, 8, 9, 10, 2, 24, 9, 9, 5]])# 创建ICA对象
ica = FastICA(n_components=2)# 拟合数据
ica.fit(X)# 转换数据
X_new = ica.transform(X)print(X_new)

可视化部分

t-SNE降维算法

原理部分

• TSNE（t-Distributed Stochastic Neighbor
  Embedding）是一种非线性降维算法，用于将高维数据降至二维或三维，以便于可视化。
• 该算法的基本思想是，将高维数据映射到低维空间中，使得在原始空间中相似的数据点在低维空间中也保持相似，而不相似的数据点在低维空间中则距离较远。
• TSNE算法主要分为两个步骤：首先，通过高斯核函数计算每个数据点与其它数据点之间的相似度，然后将这些相似度转化为概率分布。接着，在低维空间中，通过KL散度最小化的方法，将这些概率分布转化为新的低维空间中的概率分布。最终，通过梯度下降算法，将低维空间中的数据点的位置不断调整，使得其与高维空间中的数据点的相似度尽可能地保持一致。
• TSNE算法的优点是能够在保持数据点之间的相对距离的同时，有效地将高维数据映射到低维空间中，从而便于可视化和分析。但是，该算法的计算复杂度较高，需要较长的计算时间和计算资源。

代码部分

from sklearn.manifold import TSNE
import numpy as np# 创建数据
X = np.array([[1, 2, 3, 6, 10, 22, 3, 2, 3], [4, 5, 6, 8, 9, 23, 5, 2, 6], [7, 8, 9, 10, 2, 24, 9, 9, 5]])# 创建t-SNE对象
tsne = TSNE(n_components=2)# 转换数据
X_new = tsne.fit_transform(X)print(X_new)

可视化部分