【转】PCA与Whitening

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PCA：

　　PCA的具有2个功能,一是维数约简（可以加快算法的训练速度，减小内存消耗等），一是数据的可视化。

　　PCA并不是线性回归，因为线性回归是保证得到的函数是y值方面误差最小，而PCA是保证得到的函数到所降的维度上的误差最小。另外线性回归是通过x值来预测y值，而PCA中是将所有的x样本都同等对待。

　　在使用PCA前需要对数据进行预处理，首先是均值化，即对每个特征维，都减掉该维的平均值，然后就是将不同维的数据范围归一化到同一范围，方法一般都是除以最大值。但是比较奇怪的是，在对自然图像进行均值处理时并不是减去该维的平均值，而是减去这张图片本身的平均值。因为PCA的预处理是按照不同应用场合来定的。

　　自然图像指的是人眼经常看见的图像，其符合某些统计特征。一般实际过程中，只要是拿正常相机拍的，没有加入很多人工创作进去的图片都可以叫做是自然图片，因为很多算法对这些图片的输入类型还是比较鲁棒的。在对自然图像进行学习时，其实不需要太关注对图像做方差归一化，因为自然图像每一部分的统计特征都相似，只需做均值为0化就ok了。不过对其它的图片进行训练时，比如首先字识别等，就需要进行方差归一化了。

　　PCA的计算过程主要是要求2个东西，一个是降维后的各个向量的方向，另一个是原先的样本在新的方向上投影后的值。

　　首先需求出训练样本的协方差矩阵，如公式所示（输入数据已经均值化过）：

　　

　　求出训练样本的协方差矩阵后，将其进行SVD分解，得出的U向量中的每一列就是这些数据样本的新的方向向量了，排在前面的向量代表的是主方向，依次类推。用U’*X得到的就是降维后的样本值z了，即：

　　

　　（其实这个z值的几何意义是原先点到该方向上的距离值，但是这个距离有正负之分），这样PCA的2个主要计算任务已经完成了。用U*z就可以将原先的数据样本x给还原出来。

　　在使用有监督学习时，如果要采用PCA降维，那么只需将训练样本的x值抽取出来，计算出主成分矩阵U以及降维后的值z，然后让z和原先样本的y值组合构成新的训练样本来训练分类器。在测试过程中，同样可以用原先的U来对新的测试样本降维，然后输入到训练好的分类器中即可。

　　有一个观点需要注意，那就是PCA并不能阻止过拟合现象。表明上看PCA是降维了，因为在同样多的训练样本数据下，其特征数变少了，应该是更不容易产生过拟合现象。但是在实际操作过程中，这个方法阻止过拟合现象效果很小，主要还是通过规则项来进行阻止过拟合的。

　　并不是所有ML算法场合都需要使用PCA来降维，因为只有当原始的训练样本不能满足我们所需要的情况下才使用，比如说模型的训练速度，内存大小，希望可视化等。如果不需要考虑那些情况，则也不一定需要使用PCA算法了。

　　Whitening：

　　Whitening的目的是去掉数据之间的相关联度，是很多算法进行预处理的步骤。比如说当训练图片数据时，由于图片中相邻像素值有一定的关联，所以很多信息是冗余的。这时候去相关的操作就可以采用白化操作。数据的whitening必须满足两个条件：一是不同特征间相关性最小，接近0；二是所有特征的方差相等（不一定为1）。常见的白化操作有PCA whitening和ZCA whitening。

　　PCA whitening是指将数据x经过PCA降维为z后，可以看出z中每一维是独立的，满足whitening白化的第一个条件，这时只需要将z中的每一维都除以标准差就得到了每一维的方差为1，也就是说方差相等。公式为：

　　

　　ZCA whitening是指数据x先经过PCA变换为z，但是并不降维，因为这里是把所有的成分都选进去了。这时也同样满足whitenning的第一个条件，特征间相互独立。然后同样进行方差为1的操作，最后将得到的矩阵左乘一个特征向量矩阵U即可。

　　ZCA whitening公式为：

　　

　　参考资料：

• PCA
• Whitening
• Implementing PCA/Whitening

作者：tornadomeet 出处：http://www.cnblogs.com/tornadomeet 欢迎转载或分享，但请务必声明文章出处。 （新浪微博：tornadomeet,欢迎交流！）