Deep Learning 学习笔记(9):主成分分析( PCA )与 白化( whitening )

mac2022-06-30  120

废话:

这博客有三个月没更新了。

三个月!!!尼玛我真是够懒了!!

这三个月我复习什么去了呢?

托福…………

也不是说我复习紧张到完全没时间更新,

事实上我甚至有时间打LOL。

只是说,我一次就只能(只想?)做一件事情。

对我来说,在两种不同思维之间转换是十分耗费能量的。

说白了我!就!是!个!废!柴!……哼……


前言:

PCA与白化,

就是对输入数据进行预处理,

前者对数据进行降维,后者对数据进行方差处理。

虽说原理挺简单,但是作用可不小。

之前的师兄做实验的时候,就是忘了对数据预处理,

结果实验失败了。

可见好的PCA对实验结果影响挺重要。


主成成分分析(PCA):

 

主要思想(我总结的):

通过抛弃携带信息量较少的维度对数据进行降维处理,从而加速机器学习进程。

 

方法:

一、数据的旋转(其实我觉着,这个有点像向量正交化的过程)

1、使用的输入数据集表示为 

2、首先计算出协方差矩阵  ,如下所示:

可以证明,数据变化的主方向  就是协方差矩阵  的主特征向量,而 变化的次方向 是次特征向量,以此类推。

(证明略,事实上如果只是想实现算法这个定理不用理解。但我已决定重修线代(By Myself),因为越到后面越发现线性代数的重要性。)

3、我们可以通过matlab或其他线代软件求解出协方差矩阵的特征向量,并按列排列如下:

       是主特征向量(对应最大的特征值),  是次特征向量。以此类推,另记  为相应的特征值(数值递减)。

4、旋转数据。向量  构成了一个新基,可以用来表示数据。令 为训练样本,那么  就是样本点 i 在维度 上的投影的长度(幅值)。

 

     至此,以二位空间为例,我们可以把  用  基表达为:

   

     引用UFDL两张图

     可见变化最大的维度(携带信息最多,在我们EE人的眼中,交流能量(方差)可以用来表征信号的信息)被排到了最前。

旋转前旋转后

 

 

 

二、数据的取舍

接上,我们用方差来表征一个信号的信息,在旋转过后的数据中,我们把最后面方差较小的维度舍去。

保留下来的数据与原数据所携带的信息比为

一般取

(若向他人介绍PCA算法详情,告诉他们你选择的  保留了99%的方差)

总的来说,PCA后,数据的近似表示

即,我们舍去n维向量中的(n-k)维,用k维向量来表示数据,可见数据的维度被缩小了。

 

如,舍去第二维之后的数据

 

三、复原

其实一般都不复原,那么辛苦排除了无用信息还复原干蛋。只是说有这么个东西……

矩阵  有正交性,即满足  ,所以若想将旋转后的向量  还原为原始数据  ,将其左乘矩阵即可:  , 验算一下: ,即:

 

 


白化(Whitening):

  主要思想(教程上的):

  由于图像中相邻像素之间具有很强的相关性,所以用于训练时输入是冗余的。白化的目的就是降低输入的冗余性;更正式的说,我们希望通过白化过程使得学习算法的输入具有如下性质:(i)特征之间相关性较低;(ii)所有特征具有相同的方差。

 

  方法:   

  在上一步PCA中,旋转过后的维度间已经不具有相关性(果真正交化?)。因此这里只用将数据的方差化为一即可。

  可知协方差矩阵对角元素的值为  , ……为数据方差,方差归一:

                                     

 

  (对,就这么就完了,当然这只是最最最简单的东西)

 

TIPS:

  未防止  过于接近零,这样在缩放步骤时我们除以  将导致除以一个接近0的值;这可能使数据上溢 。因而在实践中,我们使用少量的正则化实现这个缩放过程,即在取平方根和倒数之前给特征值加上一个很小的常数 :

  当  在区间  上时, 一般取值为 。

(教程上是这么说的,但是事实上我认为如果某一维度的过于接近零,这个维度在PCA过程中将会被舍弃。可能教程中针对的是未经过PCA的数据即:ZCAWhite?)

 

 


完结:?

基本上把几个月的深度学习自己过了一遍(虽然有相当一部分是复制粘贴的0)。

后面的池化和卷积就不写了,能用到的不多。

至于稀疏编码写不写,还要看学不学。

因为在UFLDL里面这方面的内容还未完善,

而且稀疏编码的激活函数都是可学习的,

不仅理解难度大,实现起来难度也大。

师兄学习的时候跑了两天………………何况我的I3-M一代。

暂且就这样吧。

 

接下来想学习python和theano,

提高应用能力,

然后向自己找点资料搞实验。(事实上已经找到)

不过需要指导老师,和老师打交道什么的最不懂了。

 

自学DL后深深感到线性代数知识的匮乏,需要恶补。

同时发现这个是DL因为可并行计算很多,很有硬件加速的前途(FPGA?不过矩阵运算好像还不成熟?)。

要是做成芯片肯定很有前途啊~

 

管他呢!

 

转载于:https://www.cnblogs.com/Ponys/p/3428270.html

相关资源:垃圾分类数据集及代码
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