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满秩分解与奇异值分解

news 2024/11/2 16:14:12

刘思黎

试着解释一下SVD矩阵：在我看来，SVD是对数据进行有效特征整理的过程。首先，对于一个m×n矩阵A，我们可以理解为其有m个数据，n个特征，（想象成一个n个特征组成的坐标系中的m个点），然而一般情况下，这n个特征并不是正交的，也就是说这n个特征并不能归纳这个数据集的特征。SVD的作用就相当于是一个坐标系变换的过程，从一个不标准的n维坐标系，转换为一个标准的k维坐标系，并且使这个数据集中的点，到这个新坐标系的欧式距离为最小值（也就是这些点在这个新坐标系中的投影方差最大化），其实就是一个最小二乘的过程。进一步，如何使数据在新坐标系中的投影最大化呢，那么我们就需要让这个新坐标系中的基尽可能的不相关，我们可以用协方差来衡量这种相关性。A^T·A中计算的便是n×n的协方差矩阵，每一个值代表着原来的n个特征之间的相关性。当对这个协方差矩阵进行特征分解之后，我们可以得到奇异值和右奇异矩阵，而这个右奇异矩阵则是一个新的坐标系，奇异值则对应这个新坐标系中每个基对于整体数据的影响大小，我们这时便可以提取奇异值最大的k个基，作为新的坐标，这便是PCA的原理.

以下内容来自刘建平Pinard-博客园的学习笔记，总结如下：

奇异值分解(Singular Value Decomposition，以下简称SVD)是在机器学习领域广泛应用的算法，它不光可以用于降维算法中的特征分解，还可以用于推荐系统，以及自然语言处理等领域。是很多机器学习算法的基石。本文就对SVD的原理做一个总结，并讨论在在PCA降维算法中是如何运用运用SVD的。

1. 回顾特征值和特征向量

首先回顾下特征值和特征向量的定义如下：

Ax=λx

其中 A 是一个 n×n 矩阵， x 是一个 n 维向量，则 λ 是矩阵 A 的一个特征值，而 x 是矩阵 A 的特征值 λ 所对应的特征向量。

求出特征值和特征向量有什么好处呢？就是我们可以将矩阵A特征分解。如果我们求出了矩阵A的n个特征值 λ1≤λ2≤...≤λn ，以及这 n 个特征值所对应的特征向量 w1,w2,...,wn ，

那么矩阵A就可以用下式的特征分解表示：

其中W是这n个特征向量所张成的n×n维矩阵，而Σ为这n个特征值为主对角线的n×n维矩阵。

一般我们会把W的这n个特征向量标准化，即满足 ||wi||2=1 ，或者 wiTwi=1 ，此时W的

n个特征向量为标准正交基，满足 WTW=I ，即 WT=W−1 ，也就是说W为酉矩阵。

这样我们的特征分解表达式可以写成

注意到要进行特征分解，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。

2. SVD的定义

SVD也是对矩阵进行分解，但是和特征分解不同，SVD并不要求要分解的矩阵为方阵。假设我们的矩阵A是一个m×n的矩阵，那么我们定义矩阵A的SVD为：

其中 U 是一个 m×m 的矩阵， Σ 是一个 m×n 的矩阵，除了主对角线上的元素以外全为0，主对角线上的每个元素都称为奇异值， V 是一个 n×n 的矩阵。 U 和 V 都是酉矩阵，即满足

UTU=I,VTV=I 。下图可以很形象的看出上面SVD的定义：

那么我们如何求出SVD分解后的U,Σ,V这三个矩阵呢？

如果我们将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，得到的特征值和特征向量满足下式：

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，得到的特征值和特征向量满足下式：

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:

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。

上面还有一个问题没有讲，就是我们说 ATA 的特征向量组成的就是我们SVD中的V矩阵，而

AAT 的特征向量组成的就是我们SVD中的U矩阵，这有什么根据吗？这个其实很容易证明，我们以V矩阵的证明为例。

上式证明使用了 UU=I,ΣT=Σ 。可以看出 ATA 的特征向量组成的的确就是我们SVD中的V矩阵。类似的方法可以得到 AAT 的特征向量组成的就是我们SVD中的U矩阵。

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，也就是说特征值和奇异值满足如下关系：

这样也就是说，我们可以不用 σi=Aviui 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。

3. SVD计算举例

这里我们用一个简单的例子来说明矩阵是如何进行奇异值分解的。我们的矩阵A定义为：

首先求出 ATA 和 AAT

进而求出 ATA 的特征值和特征向量：

接着求出 AAT 的特征值和特征向量：

利用 Avi=σiui,i=1,2 求奇异值：

也可以用 σi=λi 直接求出奇异值为 3 和1.

最终得到A的奇异值分解为：

4. 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。

也就是说：

其中k要比n小很多，也就是一个大的矩阵A可以用三个小的矩阵 Um×k,∑k×k,Vk×nT 来表示。如下图所示，现在我们的矩阵A只需要灰色的部分的三个小矩阵就可以近似描述了。

由于这个重要的性质，SVD可以用于PCA降维，来做数据压缩和去噪。也可以用于推荐算法，将用户和喜好对应的矩阵做特征分解，进而得到隐含的用户需求来做推荐。同时也可以用于NLP中的算法，比如潜在语义索引（LSI）。

下面我们就对SVD用于PCA降维做一个介绍。

5. SVD用于PCA

PCA降维，需要找到样本协方差矩阵 XTX 的最大的d个特征向量，然后用这最大的d个特征向量张成的矩阵来做低维投影降维。可以看出，在这个过程中需要先求出协方差矩阵 XTX ，当样本数多样本特征数也多的时候，这个计算量是很大的。

注意到我们的SVD也可以得到协方差矩阵 XTX 最大的d个特征向量张成的矩阵，但是SVD有个好处，有一些SVD的实现算法可以不求先求出协方差矩阵 XTX ，也能求出我们的右奇异矩阵V。也就是说，我们的PCA算法可以不用做特征分解，而是做SVD来完成。这个方法在样本量很大的时候很有效。实际上，scikit-learn的PCA算法的背后真正的实现就是用的SVD，而不是我们我们认为的暴力特征分解。

另一方面，注意到PCA仅仅使用了我们SVD的右奇异矩阵，没有使用左奇异矩阵，那么左奇异矩阵有什么用呢？

假设我们的样本是m×n的矩阵X，如果我们通过SVD找到了矩阵 XXT 最大的d个特征向量张成的m×d维矩阵U，则我们如果进行如下处理：