python sklearn-07：降维-PCA

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Python sklearn PCA 降维主成分分析

链接：https://muxuezi.github.io/posts/7-dimensionality-reduction-with-pca.html

官网链接：

1.PCA：

PCA(principal component analysis,主成分分析)：主要解决三类问题：

1.降维可以缓解维度灾难问题；

2.降维可以在压缩数据的同时让信息损失最小化；

3.理解几百个维度的数据结构很困难，两三个维度的数据通过可视化更容易理解

主成分分析也称为卡尔胡宁-勒夫变换（Karhunen-Loeve Transform），是一种用于探索高维数据结构的技术。PCA通常用于高维数据集的探索与可视化。还可以用于数据压缩，数据预处理等。PCA可以把可能具有相关性的高维变量合成线性无关的低维变量，称为主成分（ principal components）。

新的低维数据集会经可能的保留原始数据的变量。

PCA将数据投射到一个低维子空间实现降维。例如，二维数据集降维就是把点投射成一条线，数据集的每个样本都可以用一个值表示，不需要两个值。三维数据集可以降成二维，就是把变量映射成一个平面。一般情况下，维数据集可以通过映射降成维子空间，

2.相关术语：

方差和协方差：

方差（Variance）是度量一组数据分散的程度。方差是各个样本与样本均值的差的平方和的均值；

协方差（Covariance）是度量两个变量的变动的同步程度，也就是度量两个变量线性相关性程度。

如果两个变量的协方差为0，则统计学上认为二者线性无关。注意两个无关的变量并非完全独立，只是没有线性相关性而已。

如果协方差不为0，如果大于0表示正相关，小于0表示负相关。当协方差大于0时，一个变量增大是另一个变量也会增大。当协方差小于0时，一个变量增大是另一个变量会减小。

协方差矩阵（Covariance matrix）由数据集中两两变量的协方差组成。 numpy.cov()

特征向量和特征值：

特征向量（eigenvector）是一个矩阵的满足如下公式的非零向量：

其中，是特征向量， A是方阵，是特征值。经过变换之后，特征向量的方向保持不变，只是其大

小发生了特征值倍数的变化。也就是说，一个特征向量左乘一个矩阵之后等于等比例放缩（scaling）特征向量。

特征向量和特征值只能由方阵得出，且并非所有方阵都有特征向量和特征值。如果一个矩阵有特征向

量和特征值，那么它的每个维度都有一对特征向量和特征值。

矩阵的主成分是其协方差矩阵的特征向量，按照对应的特征值大小排序。最大的特征值就是第一主成分，第二大的特征值就是第二主成分，

以此类推。

2.PCA求解过程：

2.1 一般做法：

def pca_m (dataMat, topNfeat=999999):
    meanVals = mean(dataMat, axis=0)
    DataAdjust = dataMat - meanVals           #减去平均值
    covMat = cov(DataAdjust, rowvar=0)
    eigVals,eigVects = linalg.eig(mat(covMat)) #计算特征值和特征向量
    print('特征值：{}\n特征向量：{}'.format(eigVals,eigVects))
    eigValInd = argsort(eigVals)
    eigValInd = eigValInd[:-(topNfeat+1):-1]   #保留最大的前K个特征值
    redEigVects = eigVects[:,eigValInd]        #对应的特征向量
    lowDDataMat = DataAdjust * redEigVects     #将数据转换到低维新空间
    reconMat = (lowDDataMat * redEigVects.T) + meanVals   #重构数据，用于调试
    return lowDDataMat, reconMat
    
dataMat=array([[0.9,1],[2.4,2.6],[1.2,2.7],[0.5,0.7],[0.3,0.7],[1.8,1.4],[0.5,0.6],[0.3,0.6],[2.5,2.6],[1.3,1.1]])
lowDMat, reconMat = pca_m(dataMat,2)

#输出结果：
lowDMat, reconMat = pca_m(dataMat,2)
特征值：[ 0.0490834   1.28402771]
特征向量：[[-0.73517866 -0.6778734 ]
 [ 0.6778734  -0.73517866]]

lowDMat
Out[175]: 
matrix([[-0.82797019, -0.17511531],
        [ 1.77758033,  0.14285723],
        [-0.99219749,  0.38437499],
        [-0.27421042,  0.13041721],
        [-1.67580142, -0.20949846],
        [-0.9129491 ,  0.17528244],
        [ 0.09910944, -0.3498247 ],
        [ 1.14457216,  0.04641726],
        [ 0.43804614,  0.01776463],
        [ 1.22382056, -0.16267529]])

2.2 sklearn pca求法：

from sklearn.decomposition import PCA
pca = PCA(n_components=2)
reduced_X = pca.fit_transform(dataMat)

#结果：
print('特征值：{}\n特征向量：{}'.format(pca.explained_variance_,pca.components_))
特征值：[ 1.15562494  0.04417506]
特征向量：[[-0.6778734  -0.73517866]
 [ 0.73517866 -0.6778734 ]]

reduced_X
Out[184]: 
array([[-0.82797019,  0.17511531],
       [ 1.77758033, -0.14285723],
       [-0.99219749, -0.38437499],
       [-0.27421042, -0.13041721],
       [-1.67580142,  0.20949846],
       [-0.9129491 , -0.17528244],
       [ 0.09910944,  0.3498247 ],
       [ 1.14457216, -0.04641726],
       [ 0.43804614, -0.01776463],
       [ 1.22382056,  0.16267529]])

上面两种方法得到的特征向量和主成分中第二成分方向不同，不过重构后结果都是一样的。

为什么不同？及不同有什么影响？(仍想不通)

3.一些应用例子：

3.1.用PCA实现高维数据可视化

二维或三维数据更容易通过可视化发现模式。一个高维数据集是无法用图形表示的，但是我们可以通

过降维方法把它降成二维或三维数据来可视化。

Fisher1936年收集了三种鸢尾花分别50个样本数据（Iris Data）：Setosa、Virginica、Versicolour。

解释变量是花瓣（petals）和萼片（sepals）长度和宽度的测量值，响应变量是花的种类。鸢尾花数

据集经常用于分类模型测试，scikit-learn中也有。让我们把iris数据集降成方便可视化的二维数

据：

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_iris

#PCA类把主成分的数量作为超参数，和其他估计器一样，PCA也用fit_transform()返回降维的数据矩阵

data = load_iris()
y = data.target
X = data.data
pca = PCA(n_components=2)
reduced_X = pca.fit_transform(X)

#把图形画出来
red_x, red_y = [], []
blue_x, blue_y = [], []
green_x, green_y = [], []
for i in range(len(reduced_X)):
    if y[i] == 0:
        red_x.append(reduced_X[i][0])
        red_y.append(reduced_X[i][1])
    elif y[i] == 1:
        blue_x.append(reduced_X[i][0])
        blue_y.append(reduced_X[i][1])
    else:
        green_x.append(reduced_X[i][0])
        green_y.append(reduced_X[i][1])

plt.scatter(red_x, red_y, c='r', marker='x')
plt.scatter(blue_x, blue_y, c='b', marker='D')
plt.scatter(green_x, green_y, c='g', marker='.')
plt.show()

降维的数据如上图所示。每个数据集中三个类都用不同的符号标记。从这个二维数据图中可以明显看

出，有一个类与其他两个重叠的类完全分离。这个结果可以帮助我们选择分类模型。

3.2 PCA人脸识别

脸部识别是一个监督分类任务，用于从照片中认出某个人。本例中，我们用剑桥大学AT&T实验室的Our Database of Faces数据集(http://www.cl.cam.ac.uk/research/dtg/attarchive/facedatabase.html)，这个数据集包含40个人每个人10张照片。这些照片是在不同的光照条件下拍摄的，每张照片的表情也不同。照片都是黑白的，尺寸为92 x 112像素。虽然这些图片都不大，但是每张图片的按像素强度排列的特征向量也有10304维。这些高维数据的训练可能需要很多样本才能避免拟合过度。而我们样本量并不大，所有我们用

PCA计算一些主成分来表示这些照片。

可以把照片的像素强度矩阵转换成向量，然后用所有的训练照片的向量建一个矩阵。每个照片都是数据集主成分的线性组合。在脸部识别理论中，这些主成分称为特征脸（eigenfaces）。特征脸可以看成是脸部的标准化组成部分。数据集中的每张脸都可以通过一些标准脸的组合生成出来，或者说是最重要的特征脸线性组合的近似值。

from os import walk, path
import numpy as np
import mahotas as mh
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn.cross_validation import cross_val_score
from sklearn.preprocessing import scale
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import classification_report
X = []
y = []

#把照片导入Numpy数组，然后把它们的像素矩阵转换成向量：
for dir_path, dir_names, file_names in walk('mlslpic/att-faces/'):
    for fn in file_names:
        if fn[-3:] == 'pgm':
            image_filename = path.join(dir_path, fn)
            X.append(scale(mh.imread(image_filename, as_grey=True).reshape(10304).astype('float32')))
            y.append(dir_path)

X = np.array(X)

#用交叉检验建立训练集和测试集，在训练集上用PCA
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)
pca = PCA(n_components=150)

#把所有样本降到150维，然后训练一个逻辑回归分类器。数据集包括40个类；scikit-learn底层会自动用one versus all策略创建二元分类器：

X_train_reduced = pca.fit_transform(X_train)
X_test_reduced = pca.transform(X_test)
print('训练集数据的原始维度是：{}'.format(X_train.shape))
print('PCA降维后训练集数据是：{}'.format(X_train_reduced.shape))
classifier = LogisticRegression()
accuracies = cross_val_score(classifier, X_train_reduced, y_train)

#结果
训练集数据的原始维度是：(300, 10304)
PCA降维后训练集数据是：(300, 150)

#最后，用交叉验证和测试集评估分类器的性能。分类器的平均综合评价指标（F1 score）是0.88，但是需要花费更多的时间训练，在更多训练实例的应用中可能会更慢。

print('交叉验证准确率是：{}\n{}'.format(np.mean(accuracies), accuracies))
classifier.fit(X_train_reduced, y_train)
predictions = classifier.predict(X_test_reduced)
print(classification_report(y_test, predictions))

#结果
交叉验证准确率是：0.823104855161
[ 0.84210526 0.79 0.8372093 ]
precision recall f1-score support
mlslpic/att-faces/s1 1.00 1.00 1.00 1
mlslpic/att-faces/s10 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s11 1.00 0.83 0.91 6
mlslpic/att-faces/s12 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s13 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s14 0.33 1.00 0.50 2
mlslpic/att-faces/s15 1.00 1.00 1.00 4
mlslpic/att-faces/s17 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s18 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s19 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s2 0.00 0.00 0.00 0
mlslpic/att-faces/s20 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s21 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s22 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s23 1.00 1.00 1.00 1
mlslpic/att-faces/s24 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s25 1.00 1.00 1.00 4
mlslpic/att-faces/s26 1.00 1.00 1.00 4
mlslpic/att-faces/s27 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s28 0.00 0.00 0.00 1
mlslpic/att-faces/s29 1.00 0.50 0.67 2
mlslpic/att-faces/s3 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s30 1.00 1.00 1.00 3
mlslpic/att-faces/s31 0.75 1.00 0.86 3
mlslpic/att-faces/s32 1.00 0.75 0.86 4
mlslpic/att-faces/s33 0.00 0.00 0.00 1
mlslpic/att-faces/s34 0.75 1.00 0.86 3
mlslpic/att-faces/s35 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s36 0.50 1.00 0.67 1
mlslpic/att-faces/s37 1.00 0.17 0.29 6
mlslpic/att-faces/s38 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s39 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s4 1.00 1.00 1.00 1
mlslpic/att-faces/s40 0.00 0.00 0.00 1
mlslpic/att-faces/s5 0.80 0.80 0.80 5
mlslpic/att-faces/s6 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s7 1.00 1.00 1.00 2
mlslpic/att-faces/s8 1.00 1.00 1.00 4
mlslpic/att-faces/s9 1.00 1.00 1.00 3
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