PCA 主成分分析应用

主成分分析

主成分分析 是多元线性统计里面的概念，它的英文是 Principal Components Analysis，简称 PCA。主成分分析旨在降低数据的维数，通过保留数据集中的主要成分来简化数据集。简化数据集在很多时候是非常必要的，因为复杂往往就意味着计算资源的大量消耗。通过对数据进行降维，我们就能在结果不受影响或受略微影响的同时，减少模型学习时间。
特别强调的是，本次实验所说的降维，不是指降低 NumPy 数组的维度，而是特指减少样本的特征数量。

image.png

sklearn.decomposition.PCA(n_components=None, copy=True, whiten=False, svd_solver='auto')

其中：
n_components= 表示需要保留主成分（特征）的数量。
copy= 表示针对原始数据降维还是针对原始数据副本降维。当参数为 False 时，降维后的原始数据会发生改变，这里默认为 True。
whiten= 白化表示将特征之间的相关性降低，并使得每个特征具有相同的方差。
svd_solver= 表示奇异值分解 SVD 的方法。有 4 个参数，分别是：auto, full, arpack, randomized。

我们生成一个最容易可视化降维过程的二维数据集来看下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import stats
%matplotlib inline

plt.style.use('seaborn')  # 样式美化

# 当我们设置相同的seed时，每次生成的随机数也相同，如果不设置seed，则每次生成的随机数都会不一样
np.random.seed(1)
X = np.dot(np.random.random(size=(2, 2)),
           np.random.normal(size=(2, 200))).T  # 生成二维数据
plt.plot(X[:, 0], X[:, 1], 'o')
plt.axis('equal')

我们可以看到数据有一个明确的趋势。PCA 要做的就是在数据中找到主轴，并解释这些轴在描述数据分布中的重要性：

# 导入 PCA 估计器
from sklearn.decomposition import PCA

pca = PCA(n_components=2)  # 保留两个特征（维度）
pca.fit(X)
print(pca.explained_variance_)
print(pca.components_)

我们看到了两个输出，要了解这些数字的含义，让我们将其视为向量在数据点上绘制出来：

plt.plot(X[:, 0], X[:, 1], 'o', alpha=0.5)

for length, vector in zip(pca.explained_variance_, pca.components_):
    v = vector * 3 * np.sqrt(length)
    plt.plot([0, v[0]], [0, v[1]], '-k', lw=3)  # lw设置线宽
plt.axis('equal')

绘图结果来看，一个向量比另一个向量长。从某种意义上讲，这告诉我们数据中的这个方向比另一个方向更“重要”，而这种方向上的“重要性”是用方差来量化的。当然这也告诉我们，在不损失大量信息的情况下完全可以忽略第二个主要成分。让我们看看如果仅保留 95％的方差，数据将是什么样子：

clf = PCA(0.95)  # 保存 95%的方差
X_trans = clf.fit_transform(X)
print(X.shape)
print(X_trans.shape)

在使用 PCA 降维时，我们也会使用到 PCA.fit() 方法。.fit() 是 scikit-learn 训练模型的通用方法，但是该方法本身返回的是模型的参数。所以，通常我们会使用 PCA.fit_transform() 方法直接返回降维后的数据结果。
上面结果来看，通过舍弃 5％的方差，数据从 2 维变成了 1 维，相当于压缩了 50％。让我们看看压缩后的数据是什么样的：

# 将降维后的数据转换成原始数据的维度，才能绘图
X_new = clf.inverse_transform(X_trans)
plt.plot(X[:, 0], X[:, 1], 'o', alpha=0.2)
plt.plot(X_new[:, 0], X_new[:, 1], 'ob', alpha=0.8)
plt.axis('equal')

暗一点的是原始数据，而亮一点的是投影版本。我们看到将这个数据集的方差截断 5％再重新投影之后，数据“最重要”的功能得以保留，并且我们将数据压缩了 50％，这也就是降维的意义：如果可以在较低维度上得到近似数据集，则我们可以更轻松地查看它或将更复杂的模型拟合到数据中。

PCA 手写数字数据集应用

降维在二维数据上似乎表现得没有那么重要，但是在可视化高维数据时，投影和降维非常有用。让我们看一下 PCA 在我们之前看过的手写数字识别数据中的应用：

# 导入数据集模块
from sklearn.datasets import load_digits
digits = load_digits()  # 载入数据集
X = digits.data
y = digits.target

pca = PCA(n_components=2)  # 从 64 维降维到 2 维
Xproj = pca.fit_transform(X)
print(X.shape)  # 查看原数据
print(Xproj.shape)  # 查看降维后的数据

# 绘制降维后的数据散点图
plt.scatter(Xproj[:, 0], Xproj[:, 1], c=y, edgecolor='none', alpha=0.5,
            cmap=plt.cm.get_cmap('nipy_spectral', 10))
plt.colorbar()  # 绘制色标

我们将 64 维的数据降到了 2 维，并将其可视化绘制出来，这使我们对数字之间的关系有了一个概念，并且使我们无需参考标签即可查看数字的布局。
之前，我们用支持向量机完成了分类，即预测哪一张图像代表哪一个数字。现在，我们采用相同的数据集完成聚类分析，即将全部数据集聚为 10 个类别。
我们将降到 2 维后的数据聚为 10 类，并将聚类后的结果、聚类中心点、聚类决策边界绘制出来。

from sklearn.cluster import KMeans

pca = PCA(n_components=2)  # 从 64 维降维到 2 维
Xproj = pca.fit_transform(X)

# 建立 K-Means 并输入数据
model = KMeans(n_clusters=10)
model.fit(Xproj)

# 计算聚类过程中的决策边界
x_min, x_max = Xproj[:, 0].min() - 1, Xproj[:, 0].max() + 1
y_min, y_max = Xproj[:, 1].min() - 1, Xproj[:, 1].max() + 1
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, .05),
                     np.arange(y_min, y_max, .05))  # 生成网格点坐标矩阵

result = model.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])

# 绘制决策边界
result = result.reshape(xx.shape)
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.contourf(xx, yy, result, cmap=plt.cm.Greys)  # 绘制填充色
plt.scatter(Xproj[:, 0], Xproj[:, 1], c=y, edgecolor='none', alpha=0.5,
            cmap=plt.cm.get_cmap('nipy_spectral', 10))  # 绘制数据散点图
plt.colorbar()  # 绘制色标

# 绘制聚类中心点
center = model.cluster_centers_
plt.scatter(center[:, 0], center[:, 1], marker='p',
            linewidths=2, color='b', edgecolors='w', zorder=20)

# 图像参数设置
plt.xlim(x_min, x_max)
plt.ylim(y_min, y_max)

图中，不同的色块区域代表一类。这里色块的颜色没有意义，只表示类别。散点代表数据，散点的颜色表示数据原始类别。我们可以看出，虽然原始数据已经降到了 2 维，但某几个数字的依旧有明显的成团现象。
除此之外，我们还可以使用分类方法来对比降维前后的数据表现。我们使用随机森林方法对数据进行分类，并通过交叉验证得到准确度结果。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier  # 导入随机森林估计器
from sklearn.model_selection import cross_val_score  # 导入交叉验证

model = RandomForestClassifier()

# 5 折交叉验证平均准确度
s1 = cross_val_score(model, X, y, cv=5).mean()  # 原始维度数据
s2 = cross_val_score(model, Xproj, y, cv=5).mean()  # 降维后的数据
print(s1)
print(s2)

你可以看到，实际上准确度并不是特别低。也就是说，在客观条件限制下，我们往往可以以更少维度的数据训练出准确度可以勉强接受的模型。

其他降维估计器

scikit-learn 还包含许多其他无监督学习的降维估计器，你可以尝试其他的降维方法：
sklearn.decomposition.IncrementalPCA：增量主成分分析（IPCA）
sklearn.decomposition.SparsePCA：PCA 变体，包括 L1 正则
sklearn.decomposition.FastICA：独立成分分析
sklearn.decomposition.NMF：非负矩阵分解
sklearn.manifold.LocallyLinearEmbedding：基于局部邻域几何的非线性流形学习
sklearn.manifold.IsoMap：基于稀疏图算法的非线性流形学习