如何实现降维处理(R语言)

现实世界中数据一般都是复杂和高维的，比如描述一个人，有姓名、年龄、性别、受教育程度、收入、地址、电话等等几十种属性，如此多的属性对于数据分析是一个严重的挑战，除了极大增加建模的成本和模型的复杂度，往往也会导致过拟合问题，因此在实际处理过程中，一些降维的方法是必不可少，其中用的比较多的有主成分分析(PCA)、奇异值分解(SVD)、特征选择(Feature Select)，本文将对PCA和SVD作简单的介绍，并力图通过案例加深对这两种降维方法的理解。
1 主成分分析PCA
1.1 R语言案例
在R语言中PCA对应函数是princomp，来自stats包。以美国的各州犯罪数据为对象进行分析，数据集USArrests在graphics包中。

    > library(stats) ##princomp
    > head(USArrests)
               Murder Assault UrbanPop Rape
    Alabama      13.2     236       58 21.2
    Alaska       10.0     263       48 44.5
    Arizona       8.1     294       80 31.0
    > summary(pc.cr <- princomp(USArrests, cor = TRUE))
    ##每个主成分对方差的贡献比例，显然Comp.1   Comp2所占比例超过85%，因此能够用前两个主成分来表示整个数据集，也将数据从4维降到两维
    Importance of components:
                              Comp.1    Comp.2    Comp.3     Comp.4
    Standard deviation     1.5748783 0.9948694 0.5971291 0.41644938
    Proportion of Variance 0.6200604 0.2474413 0.0891408 0.04335752
    Cumulative Proportion  0.6200604 0.8675017 0.9566425 1.00000000
    接下来查看每个特征在主成分中所在的比例
    > loadings(pc.cr)
    Loadings:
             Comp.1 Comp.2 Comp.3 Comp.4
    Murder   -0.536  0.418 -0.341  0.649
    Assault  -0.583  0.188 -0.268 -0.743
    UrbanPop -0.278 -0.873 -0.378  0.134
    Rape     -0.543 -0.167  0.818      
                   Comp.1 Comp.2 Comp.3 Comp.4
    SS loadings      1.00   1.00   1.00   1.00
    Proportion Var   0.25   0.25   0.25   0.25
    Cumulative Var   0.25   0.50   0.75   1.00
    根据以上数据可很容易转换为几个数学等式：
    Comp1 = -0.536 * Murder (-0.583) * Assault (-0.278)*UrbanPop (-0.543)* Rape
    Comp2 = 0.418 * Murder 0.188 * Assault (-0.873)*UrbanPop (-0.167)* Rape
    可以用Comp1、Comp2两个维度的数据来表示各州，在二维图上展现各州个聚类关系。
    > head(pc.cr$scores) ##scores包含有各州在四个主成分的得分
                        Comp.1      Comp.2      Comp.3       Comp.4
    Alabama        -0.98556588  1.13339238 -0.44426879  0.156267145
    Alaska         -1.95013775  1.07321326  2.04000333 -0.438583440
    Arizona        -1.76316354 -0.74595678  0.05478082 -0.834652924
    Arkansas        0.14142029  1.11979678  0.11457369 -0.182810896
    California     -2.52398013 -1.54293399  0.59855680 -0.341996478
    ##将前两个Comp提取出来，转换为data.frame方便会面绘图
    > stats.arrests <- data.frame(pc.cr$scores[, -c(3:4)])
    > head(stats.arrests)
                   Comp.1     Comp.2
    Alabama    -0.9855659  1.1333924
    Alaska     -1.9501378  1.0732133
    Arizona    -1.7631635 -0.7459568
    > library(ggplot2)
    ##展现各州的分布情况，观察哪些州比较异常，哪些能够进行聚类
    > ggplot(stats.arrests, aes(x = Comp.1, y = Comp.2))
    xlab("First Component") ylab("Second Component")
    geom_text(alpha = 0.75, label = rownames(stats.arrests), size = 4)
http://www.cda.cn/uploadfile/image/20171207/20171207071714_87893.png
有兴趣的同学还可以，分析南北各州在犯罪数据上的迥异。
1.2 PCA理论基础
经过上一小节对PCA的简单应用，应该可以体会到PCA在降维处理上的魅力，下面简单介绍PCA的理论基础，对于更好的理解和应用PCA会非常有帮助。
PCA本质就是将数据投影在众多正交向量上，根据投影后数据的方差大小，说明向量解释数据的程度，方差越大，解释的程度越大。以下图为例，数据投影在向量u的方差明显最大，因此u向量作为第一主成分，与u向量正交的v向量，作为第二主成分。
 http://www.cda.cn/uploadfile/image/20171207/20171207071652_38316.png
Nd = dim(data) 代表数据的维数， Sc = num(Comp)代表主成分的个数(Nd = Sc ),在实际情况中，往往取前k << Nd个主成分便能解释数据的方差程度超过90%，因此能够在只丢失少量消息的情况，达到大规模减少数据维度的效果，无论对于建立模型、提升性能、减少成本都有很大的意义。
从某种意义上讲，PCA只是将很多相互间存在线性关系的特征，转换成新的、相互独立的特征，从而减少特征数量。对此，它需要借助特征值来找到方差最大的主成分，每一个特征值对应一个特征向量，特征值越大，特征向量解释数据矩阵的方差的程度越高。因此，只需要将特征值从大到小排列，取出前k个特征向量，便能确定k个最重要的主成分。
PCA算法通常包括如下5个步骤：
A 平均值归一化，减去每个特征的平均值，保证归一化后的数据平均值为0
B 计算协方差矩阵，每两个特征之间的协方差
C 计算协方差矩阵的特征向量和特征值
D 将特征向量根据对应的特征值大小降序排列，特征向量按列组成FeatureVector = (eig_1, eig_2, …,eig_n)
E RowFeatureVector = t(FeatureVector) (转置)，eig_1变为第一行，RowDataAdjusted = t(DataAdjusted), 特征行变为列，得到最终的数据。
    FinalData = RowFeatureVector X RowDataAdjusted
从维度变化的角度出发
协方差矩阵：n x n  , FeatureVector: n x n，RowFeatureVector：n x n,  n为特征数量
DataAdjusted：m x n, RowDataAdjusted: n x m
取前k个特征向量, RowFeatureVector：k x n
那么FinalData: k x m， 这样便实现维度的降低。
2  奇异值分解(SVD)
2.1 案例研究
我们通过一张图片的处理来展示奇异值分解的魅力所在，对于图片的处理会用到R语言中raster和jpeg两个包。
    ##载入图片，并且显示出来
    > library(raster)
    Loading required package: sp
    > library(jpeg)
    > raster.photo <- raster("Rlogo.jpg")
    > photo.flip <- flip(raster.photo, direction = "y")
    ##将数据转换为矩阵形式
    > photo.raster <- t(as.matrix(photo.flip))
    > dim(photo.raster)
    [1] 288 196
    > image(photo.raster, col = grey(seq(0, 1, length = 256)))  ##灰化处理
http://www.cda.cn/uploadfile/image/20171207/20171207071612_73500.png
    ##奇异值进行分解
    > photo.svd <- svd(photo.raster)
    > d <- diag(photo.svd$d)
    > v <- as.matrix(photo.svd$v)
    > u <- photo.svd$u
    取第一个奇异值进行估计，如下左图
    > u1 <- as.matrix(u[, 1])
    > d1 <- as.matrix(d[1, 1])
    > v <- as.matrix(v[, 1])
    > photo1 <- u1 %*% d1 %*% t(v)
    > image(photo1, col = grey(seq(0, 1, length = 256)))
http://www.cda.cn/uploadfile/image/20171207/20171207071538_76946.png
取前五十个奇异值进行模拟，基本能还原成最初的模样，如上右图

    > u2 <- as.matrix(u[, 1:50])
    > d2 <- as.matrix(d[1:50, 1:50])
    > v2 <- as.matrix(v[, 1:50])
    > photo2 <- u2 %*% d2 %*% t(v2)
    > image(photo2, col = grey(seq(0, 1, length = 256)))
当我们尝试用更多的奇异值模拟时，会发现效果越来来越好，这就是SVD的魅力，对于降低数据规模、提高运算效率、节省存储空间有着非常棒的效果。原本一张图片需要288 X 196的存储空间，经过SVD处理后，在保证图片质量的前提下，只需288 X 50 50 X 50 196 X 50的存储空间仅为原来的一半。
2.1 SVD理论基础
SVD算法通过发现重要维度的特征，帮助更好的理解数据，从而在数据处理过程中减少不必要的属性和特征，PCA(主成分分析)只是SVD的一个特例。PCA针对的正方矩阵(协方差矩阵)，而SVD可用于任何矩阵的分解。
对于任意m x n矩阵A，都有这样一个等式
              Am x n  = Um x r Sr x r VTn x r 
U的列称为左奇异向量，V的列称为右奇异向量，S是一个对角线矩阵，对角线上的值称为奇异值, r = min(n, m)。U的列对应AAT的特征向量，V的列则是ATA的特征向量，奇异值是AAT和ATA共有特征值的开方。由于A可能不是正方矩阵，因此无法利用得到特征值和特征向量，因此需要进行变换，即AAT(m x m)和ATA(n x n)，这样就可以计算特征向量和特征值了。
              A = USVT    AT = VSUT 
    AAT = USVT VSUT = US2UT
    AAT U = U S2
同样可以推导出：         ATA V = V S2
总结下来，SVD算法主要有六步：
A 、计算出AAT
B 、计算出AAT的特征向量和特征值
C、计算出ATA
D 、计算出ATA的特征向量和特征值
E、计算ATA和ATA共有特征值的开方
F、计算出U、 S、 V

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