【疑难杂症】奇异值分解(SVD)原理与在降维中的应用

前言

在项目实战的特征工程中遇到了采用SVD进行降维，具体SVD是什么，怎么用，原理是什么都没有细说，因此特开一篇，记录下SVD的学习笔记

参考：刘建平老师博客 https://www.cnblogs.com/pinard/p/6251584.html

奇异值分解(SVD)原理与在降维中的应用

回顾特征值和特征向量

考研学习线代到最后的内容，也是考研的难点就是求一个矩阵特征值，特征向量，以及求正定矩阵，标准正交化。

但是因为要进行特征分解，矩阵A必须为方阵。那么如果A不是方阵，即行和列不相同时，我们还可以对矩阵进行分解吗？

答案是可以，此时我们的SVD登场了。

SVD的定义

简单来说，假设我们的矩阵A是一个m×n的矩阵，A的转置和A做矩阵乘法，那么会得到n×n的一个方阵ATA。既然ATA是方阵，那么我们就可以进行特征分解，

这样我们就可以得到矩阵ATA的n个特征值和对应的n个特征向量v了。将ATA的所有特征向量张成一个n×n的矩阵V，就是我们SVD公式里面的V矩阵了。一般我们将V中的每个特征向量叫做A的右奇异向量

如果我们将A和A的转置做矩阵乘法，那么会得到m×m的一个方阵AAT。既然AAT是方阵，那么我们就可以进行特征分解，

这样我们就可以得到矩阵AAT的m个特征值和对应的m个特征向量u了。将AAT的所有特征向量张成一个m×m的矩阵U，就是我们SVD公式里面的U矩阵了。一般我们将U中的每个特征向量叫做A的左奇异向量

U和V我们都求出来了，现在就剩下奇异值矩阵Σ没有求出了。由于Σ除了对角线上是奇异值其他位置都是0，那我们只需要求出每个奇异值σ就可以了

我们注意到:

A=UΣVT⇒AV=UΣVTV⇒AV=UΣ⇒Avi=σiui⇒σi=Avi/ui

这样我们可以求出我们的每个奇异值，进而求出奇异值矩阵Σ。

进一步我们还可以看出我们的特征值矩阵等于奇异值矩阵的平方，这样也就是说，我们可以不用σi=Avi/ui来计算奇异值，也可以通过求出ATA的特征值取平方根来求奇异值。

SVD的一些性质

对于奇异值,它跟我们特征分解中的特征值类似，在奇异值矩阵中也是按照从大到小排列，而且奇异值的减少特别的快，在很多情况下，前10%甚至1%的奇异值的和就占了全部的奇异值之和的99%以上的比例。也就是说，我们也可以用最大的k个的奇异值和对应的左右奇异向量来近似描述矩阵。

就是说一个大的矩阵A可以用三个小的矩阵表示

SVD小结

SVD作为一个很基本的算法，在很多机器学习算法中都有它的身影，特别是在现在的大数据时代，由于SVD可以实现并行化，因此更是大展身手。SVD的原理不难，只要有基本的线性代数知识就可以理解，实现也很简单因此值得仔细的研究。当然，SVD的缺点是分解出的矩阵解释性往往不强，有点黑盒子的味道，不过这不影响它的使用。