在SCIKIT中做PCA 逆變換 -- 新舊特征轉換

PCA（Principal Component Analysis）是一種常用的數據分析方法。PCA通過線性變換將原始數據變換為一組各維度線性無關的表示，可用於提取數據的主要特征分量，常用於高維數據的降維。

在Scikit中運用PCA很簡單：

import numpy as np
from sklearn import decomposition
from sklearn import datasets

iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

pca = decomposition.PCA(n_components=3)
pca.fit(X)
X = pca.transform(X)

以上代碼是將含有4個特征的數據經過PCA壓縮為3個特征。PCA的壓縮由如下特點：

• 新的3個特征並不是隨便刪除一個特征后留下的，而是4個特征的線性組合。
• 新的3個特征保留了原有4個特征的絕大部分信息，換句話說就是略有損失。

 

那么PCA的損失到底是什么? 新特征能否轉回舊特征？

 

這要從PCA過程說起，我把過程縮減如下，畢竟本文重點不是說PCA過程： 

PCA過程

1.均值化矩陣X

2.通過一系列矩陣運算得出  特征矩陣P

3.矩陣運算 Y = P * X

Y 即為原始數據降維后的結果，也就是說，得到矩陣P后，我們還可以通過Y=P * X這個算式， 反推回X：

 Y = P * X ==>   P(-1) * Y = P(-1) * P * X,  P（-1）是P的逆矩陣, 即 P(-1) * P = 1

                ==>   P(-1) * Y = X

需要注意的是，程序一開始就已經將原始數據均值化，所以實際上， P(-1)*Y的結果需要去均值化才是原來的樣子

在Scikit中，pca.components_就是P的逆矩陣.  從源代碼就可以看出（行號33）

   def transform(self, X, y=None):
        """Apply dimensionality reduction to X.

        X is projected on the first principal components previously extracted
        from a training set.

        Parameters
        ----------
        X : array-like, shape (n_samples, n_features)
            New data, where n_samples is the number of samples
            and n_features is the number of features.

        Returns
        -------
        X_new : array-like, shape (n_samples, n_components)

        Examples
        --------

        >>> import numpy as np
        >>> from sklearn.decomposition import IncrementalPCA
        >>> X = np.array([[-1, -1], [-2, -1], [-3, -2], [1, 1], [2, 1], [3, 2]])
        >>> ipca = IncrementalPCA(n_components=2, batch_size=3)
        >>> ipca.fit(X)
        IncrementalPCA(batch_size=3, copy=True, n_components=2, whiten=False)
        >>> ipca.transform(X) # doctest: +SKIP
        """
        check_is_fitted(self, ['mean_', 'components_'], all_or_any=all)
        print self.mean_
        X = check_array(X)
        if self.mean_ is not None:
            X = X - self.mean_
        X_transformed = fast_dot(X, self.components_.T)
        if self.whiten:
            X_transformed /= np.sqrt(self.explained_variance_)
        return X_transformed

回到開頭的壓縮代碼增加一些輸出語句：

iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

print X[0]
pca = decomposition.PCA(n_components=3)
pca.fit(X)
X = pca.transform(X)

a = np.matrix(X)
b = np.matrix(pca.components_)
c = a * b
mean_of_data = np.matrix([5.84333333, 3.054,       3.75866667,  1.19866667])

print c[0]
print c[0] + mean_of_data

程序打印出原始數據中的第一行，然后將降維后的數據乘上特征矩陣的逆矩陣，加上均值還原回原來的4特征。

輸出如下：

[ 5.1  3.5  1.4  0.2]

[[-0.74365254  0.44632609 -2.35818399 -0.99942241]]

[[ 5.09968079  3.50032609  1.40048268  0.19924426]]

由此可看， 經還原后的特征值（行號5）和原來（行號1）相比，每一個特征都略有變化。

如果維度不降，我們可以再看看結果

pca = decomposition.PCA(n_components=4)
pca.fit(X)
X = pca.transform(X)

a = np.matrix(X)
b = np.matrix(pca.components_)
c = a * b
mean_of_data = np.matrix([5.84333333, 3.054,       3.75866667,  1.19866667])

print c[0]
print c[0] + mean_of_data

完美還原：

[ 5.1  3.5  1.4  0.2]

[[-0.74333333  0.446      -2.35866667 -0.99866667]]

[[ 5.1  3.5  1.4  0.2]]