Maths | 离散K-L变换/ 主成分分析法

目录

• 1. 概述
• 2. K-L变换方法和原理推导
  • 2.1. 向量分解
  • 2.2. 向量估计及其误差
  • 2.3. 寻找最小误差对应的正交向量系
• 3. K-L变换高效率的本质
• 4. PCA在编、解码应用上的进一步推导
  • 4.1. 编、解码函数的定义
  • 4.2. 寻找最优编码\(\boldsymbol c^*\)
    • 4.2.1. 构造、简化优化函数
    • 4.2.2. 最优编码函数
  • 4.3. 寻找最优编码矩阵\(\boldsymbol D^*\)

1. 概述

全称：Discrete Karhunen–Loève Transform (KLT)

离散K-L变换来源于祖宗PCA(Principal component analysis)。参见维基百科

• PCA方法在1901年由Karl Pearson提出。在上世纪30年代，Harold Hotelling开拓了PCA的应用方向。
• PCA在信号处理领域称为Discrete Karhunen–Loève Transform (KLT)，也就是我们今天的主角；在多变量质量控制领域称为the Hotelling transform，等等。

目的：将原始特征转换为数量较少的新特征。

特点：

• 适用于任意概率密度函数
• 最小均方误差意义下的最优正交变换
• 在消除模式特征之间的相关性、突出差异性方面具有最优效果

2. K-L变换方法和原理推导

2.1. 向量分解

对列向量\(\boldsymbol x\)，我们用确定的完备正交归一向量系\(\{\boldsymbol u_j\}\)展开：
\[
\boldsymbol x=\sum_{j=1}^\infty {y_j\boldsymbol u_j}
\]
其中在某个基向量\(\boldsymbol u_j\)上的投影为：
\[
y_j=\boldsymbol u_j^T \boldsymbol x=\boldsymbol u_j^T \sum_{j=1}^\infty {y_j\boldsymbol u_j}
\]
这是惯用方法了。

2.2. 向量估计及其误差

出于压缩数据等目的，我们往往用有限项估计\(\boldsymbol x\)，即：
\[
\boldsymbol {\hat x} = \sum_{i=1}^d {y_j\boldsymbol u_j}
\]

估计引入的均方误差为：
\[
\epsilon = E[(x-\hat x)^T(x-\hat x)]=E[\sum_{j=d+1}^\infty {|y_j\boldsymbol u_j|^2}]
\]
\[
=E[\sum_{j=d+1}^\infty {y_j^2}]=E[\sum_{j=d+1}^\infty {\boldsymbol u_j^T \boldsymbol x \boldsymbol x^T \boldsymbol u_j}]
\]

注意，上式之所以这么写，是为了满足矩阵乘法，最终得到一个实数\(y_j^2\)。

对于一组确定的基向量，\(\boldsymbol u_j\)是常量而不是变量，因此上式可以简化为：
\[
\epsilon = \sum_{j=d+1}^\infty {\boldsymbol u_j^T E[\boldsymbol x \boldsymbol x^T] \boldsymbol u_j}
\]

其中，\(R=E[\boldsymbol x \boldsymbol x^T]\)是自相关矩阵（因为\(\boldsymbol x\)是列向量），当输入向量\(\boldsymbol x\)给定时，该矩阵就是确定的。

因此，要使估计误差\(\epsilon\)最小，就要求合理选择归一正交向量系\(\{\boldsymbol u_j\}\)。

2.3. 寻找最小误差对应的正交向量系

由拉格朗日乘子法，构造：
\[
g(\boldsymbol u_j) = \sum_{j=d+1}^\infty {\boldsymbol {u_j^T R u_j}}-\sum_{j=d+1}^\infty {\lambda_j (\boldsymbol {u_j^Tu_j}-1)}
\]

对每一个\(\boldsymbol u_j\)求偏导，并令其为0，得：
\[
(2\boldsymbol {Ru_j}-2\lambda_j\boldsymbol {Iu_j})=0,j=d+1,d+2,...
\]
其中用到二次型求偏导的结论，参见博文：二次型求偏导

简化得：
\[
\boldsymbol {Ru_j} = \lambda_j \boldsymbol {Iu_j},j=d+1,d+2,...
\]

这意味着：当我们选取\(\boldsymbol R\)的特征向量作为正交向量系\(\{\boldsymbol u_j\}\)时，可以取得误差极值！\(\lambda_j\)即对应特征值。

这里虽然下标从\(d+1\)开始，但正是因为估计采用的是特征向量系，因此误差也继续沿用特征向量系。

进一步，估计误差的极值为：
\[
\epsilon = \sum_{j=d+1}^\infty {\boldsymbol {u_j^T R u_j}} = \sum_{j=d+1}^\infty {\boldsymbol u_j^T \lambda_j \boldsymbol {Iu_j}} = \sum_{j=d+1}^\infty {\lambda_j}
\]

这意味着：如果我们选取最大特征值对应的特征向量系，作为正交向量系，那么估计误差将会是最小的！

同理，我们是把大特征值的用作估计，因此剩下小特征值的给误差。

因此我们得到了K-L变换本质方法：

取\(\boldsymbol R\)的\(d\)个最大特征值对应的特征向量，作为正交基向量展开\(\boldsymbol x\)。此时截断均方误差最小。

这\(d\)个特征向量组成的正交坐标系，称为\(\boldsymbol x\)所在的\(D\)维空间的\(d\)维K-L变换坐标系，而展开系数向量\(\boldsymbol y\)称为\(\boldsymbol x\)的K-L变换。

最后注意一个技术细节：数据去均值。

前面我们学习的，实际上只针对单个数据：（列）向量\(\boldsymbol x\)。
但实际应用中，我们往往会对多个列向量组成的矩阵\(\boldsymbol X\)执行PCA任务。
推广过程类似，在第四节介绍。根据结论，我们往往会直接取矩阵\(\boldsymbol {XX^T}\)的自协方差矩阵，来获得特征值。

由于自协方差是二阶中心距，因此我们要对数据进行中心化。即把\(\boldsymbol x\)看作是随机变量\(\mathrm x\)的取值，要求\(\mathbb E(\mathrm x) = \boldsymbol 0\)。
比如，我们有两个点：(4,1)和(-2,-3)。那么我们求每个维度上的均值：1和-1，处理后的数据点为：(3,2)和(-3,-2)。

3. K-L变换高效率的本质

我们不妨看一看变换后的\(\boldsymbol y\)的自相关矩阵：

变换后的结果是对角阵！即元素是彼此不相关的。这是K-L变换用于高效数据压缩的杀手锏。

实际上，PCA是寻找输入空间中的一个旋转，使得方差的主坐标，和新表示空间的基坐标对齐。如P92简单例的示意图。

可惜的是，该变换不具有分离性，二维不可分，缺少快速算法。

4. PCA在编、解码应用上的进一步推导

梳理自《DEEP LEARNING》。

4.1. 编、解码函数的定义

待编码的点为\(\boldsymbol x \in \mathbb R^n\)

编码函数为\(\boldsymbol c= f(\boldsymbol x) \in \mathbb R^l\)，\(l<n\)，以节约存储空间。

解码函数为\(g(\boldsymbol c)\)，希望的效果为\(g(\boldsymbol c) \approx \boldsymbol x\)
为了简化，我们用矩阵乘法的形式实现解码器。即\(g(\boldsymbol c)=\boldsymbol {Dc},\boldsymbol D \in \mathbb R^{n*l}\)

其实大家也看出来了，这里解码的思想，仍然是用数目较少的向量，来估计高维的向量\(\boldsymbol x\)。所以才写成矩阵乘法的形式。

4.2. 寻找最优编码\(\boldsymbol c^*\)

4.2.1. 构造、简化优化函数

我们可以采用\(L^2\)范数，来衡量原始输入\(\boldsymbol x\)和重构向量\(g(\boldsymbol c)\)的距离。

这里需要强调一点：我们是在寻找最优编码\(\boldsymbol c^*\)！即当解码函数\(\boldsymbol D\)给定时，如何编码得到\(\boldsymbol c^*\)，使得衡量原始输入\(\boldsymbol x\)和重构向量\(g(\boldsymbol c^*)\)之间的距离最小。**

即解码流程已定，只需要考虑编码，但最终效果是解码后误差最小。

为了进一步推导，我们利用平方\(L^2\)范数。
由于\(L^2\)范数是非负的，并且平方运算在非负值上是单调的，因此二者会在相同的最优编码\(\boldsymbol c^*\)上取得最小值：
\[
\boldsymbol c^* = arg \min_c \Vert \boldsymbol x - g(\boldsymbol c) \Vert _2^2 = (\boldsymbol x - g(\boldsymbol c))^T(\boldsymbol x - g(\boldsymbol c))
\]

由分配律（矩阵乘法服从分配律和结合律，不服从交换律），展开得：
\[
(\boldsymbol x - g(\boldsymbol c))^T(\boldsymbol x - g(\boldsymbol c)) = \boldsymbol {x^Tx} - \boldsymbol x^T g(\boldsymbol c) - g(\boldsymbol c)^T \boldsymbol x + g(\boldsymbol c)^Tg(\boldsymbol c) = \boldsymbol {x^Tx} - 2\boldsymbol x^T g(\boldsymbol c) + g(\boldsymbol c)^Tg(\boldsymbol c)
\]
其中\(g(\boldsymbol c)^T \boldsymbol x\)是标量，所以转置等于自己。

在上式中，第一项不依赖于\(\boldsymbol c\)，因此我们的优化目标简化为后两项：

\[
\boldsymbol c^* = arg \min_c - 2\boldsymbol x^T g(\boldsymbol c) + g(\boldsymbol c)^Tg(\boldsymbol c)
\]

代入\(g(\boldsymbol c)\)定义：
\[
\boldsymbol c^* = arg \min_c - 2\boldsymbol {x^TDc} + \boldsymbol {c^TD^TDc}
\]

为了简化问题，我们规定\(\boldsymbol D\)中的列向量是相互正交的。要注意不是正交矩阵，因为一般不是方阵。
此外，为了保证\(\boldsymbol D\)有唯一解，我们规定\(\boldsymbol D\)中所有列向量都只有单位范数。

基于这两点假设，我们就可以得到非常简洁的表达式：
\[
\boldsymbol c^* = arg \min_c - 2\boldsymbol {x^TDc} + \boldsymbol {c^TI_lc} = arg \min_c - 2\boldsymbol {x^TDc} + \boldsymbol {c^Tc}
\]

4.2.2. 最优编码函数

我们对上式求\(\boldsymbol c\)的偏导，令其为0，得：
\[
- 2\boldsymbol {D^Tx} + 2\boldsymbol c^* = 0
\]

\[
\boldsymbol c^* = \boldsymbol {D^Tx}
\]

这意味着：最优编码同样利用矩阵乘法，非常高效。

复原的向量为：
\[
\boldsymbol{\hat x} = \boldsymbol {DD^Tx}
\]

4.3. 寻找最优编码矩阵\(\boldsymbol D^*\)

实际上，待处理的\(n\)维点有多个：\(\{\boldsymbol x^{(i)},i=1,2,...\}\)，因此\(\boldsymbol D\)必须是整体最优设计。
上一节只针对单个点\(\boldsymbol x\)进行讨论，是因为最终结果只与\(\boldsymbol D\)有关。因此我们现在再全面讨论\(\boldsymbol D\)即可。

因此优化函数为：
\[
\boldsymbol D^* = arg\,\min_{\boldsymbol D} {\sqrt{\sum_{i,j} {(\boldsymbol x_j^{(i)} - \boldsymbol {DD^Tx})^2} }}
\]

这是矩阵之间的Frobenius范数。

之后的推导运用了迹运算的性质等，结论相同：最优矩阵\(\boldsymbol D\)由\(\boldsymbol {XX^T}\)前\(l\)个最大特征值对应的特征向量组成。