主成分分析与因子分析的区别和联系

以下是我自己通俗的理解哈。

主成分分析，就是多个变量综合起来反应一个指标，要把这个指标找出来。

因子分析就是其实潜在的有几个指标，而表现出来的是这几个指标随机组合作用出来的结果。

因子分析不好理解是吧，举个例子：给人做智力测验，得到了算数成绩，迷宫成绩，脑筋急转弯成绩等等。但这些成绩是由潜在的因子即这个人的记忆力、反应能力等等方面综合作用出来的。

PCA在机器学习中很常用，是一种无参数的数据降维方法。PCA步骤：

将原始数据按列组成n行m列矩阵X将X的每一行（代表一个属性字段）进行零均值化，即减去这一行的均值求出协方差矩阵求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量将特征向量按对应特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取前k行组成矩阵PY=PX即为降维到k维后的数据1 PCA的推导

PCA通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关的表示，可用于提取数据的主要特征分量，常用于高维数据的降维。

我们知道PCA是一种数据降维的方法，在降低维度的过程中，我们当然想要保留更多的特征，PCA就是经过数学推导，保留最多特征同时降维的方法。

在推导之前要先知道几个基础知识：

内积与投影

两个维数相同的向量的内积被定义为：

假设A和B是两个n维向量，我们知道n维向量可以等价表示为n维空间中的一条从原点发射的有向线段，为了简单起见我们假设A和B均为二维向量，则A=(x1,y1),B=(x2,y2)。则在二维平面上A和B可以用两条发自原点的有向线段表示，见下图：

现在我们从A点向B所在直线引一条垂线。我们知道垂线与B的交点叫做A在B上的投影，再设A与B的夹角是a，则投影的矢量长度为|A|cos(a)，其中|A|是向量A的模，也就是A线段的标量长度。

到这里还是看不出内积和这东西有什么关系，不过如果我们将内积表示为另一种我们熟悉的形式：

现在事情似乎是有点眉目了：A与B的内积等于A到B的投影长度乘以B的模。再进一步，如果我们假设B的模为1，即让|B|=1，那么就变成了：

也就是说，设向量B的模为1，则A与B的内积值等于A向B所在直线投影的矢量长度！这就是内积的一种几何解释，也是我们得到的第一个重要结论。在后面的推导中，将反复使用这个结论。

基

下面我们继续在二维空间内讨论向量。上文说过，一个二维向量可以对应二维笛卡尔直角坐标系中从原点出发的一个有向线段。例如下面这个向量：

在代数表示方面，我们经常用线段终点的点坐标表示向量，例如上面的向量可以表示为(3,2)，这是我们再熟悉不过的向量表示。

我们列举的例子中基是正交的（即内积为0，或直观说相互垂直），但可以成为一组基的唯一要求就是线性无关，非正交的基也是可以的。不过因为正交基有较好的性质，所以一般使用的基都是正交的。

3 基变换的矩阵表示

一般的，如果我们有M个N维向量，想将其变换为由R个N维向量表示的新空间中，那么首先将R个基按行组成矩阵A，然后将向量按列组成矩阵B，那么两矩阵的乘积AB就是变换结果，其中AB的第m列为A中第m列变换后的结果。（新基按行，向量按列）

特别要注意的是，这里R可以小于N，而R决定了变换后数据的维数。也就是说，我们可以将一N维数据变换到更低维度的空间中去，变换后的维度取决于基的数量。因此这种矩阵相乘的表示也可以表示降维变换。

最后，上述分析同时给矩阵相乘找到了一种物理解释：两个矩阵相乘的意义是将右边矩阵中的每一列列向量变换到左边矩阵中每一行行向量为基所表示的空间中去。更抽象的说，一个矩阵可以表示一种线性变换。很多同学在学线性代数时对矩阵相乘的方法感到奇怪，但是如果明白了矩阵相乘的物理意义，其合理性就一目了然了。

4 协方差矩阵与优化目标

我们从上面的矩阵乘法与基变换可以看出，当新基的维数小于原来的维数时可以做到数据的降维，但是究竟如何选择新基就是我们现在面临的问题，我们想要选择一个维数更小的新基，同时新基保留有更多的信息。我们知道矩阵向新基投影的形式，也就是PCA是将一组N维的特征投影到K维（K<n）同时保留更多的特征。 p=""></n）同时保留更多的特征。>

那么怎么衡量更多的特征，也就是投影后尽量少的重叠，投影值尽可能分散。

协方差

从二维到一维的降维，只需要找到一个一维基使得方差最大，但是三维降到二维呢？我们需要找到两个基让这个三维数据投影到两个基上，如果我们找方差最大的两个基，会发现他们完全一样或者线性相关，这和一个基没什么区别，不能表达更多的信息，所以我们需要添加限制条件，我们希望这两个基彼此线性无关，扩展到K个基也是一样。

当协方差为0时，表示两个字段完全独立。为了让协方差为0，我们选择第二个基时只能在与第一个基正交的方向上选择。因此最终选择的两个方向一定是正交的。

至此，我们得到了降维问题的优化目标：将一组N维向量降为K维（K大于0，小于N），其目标是选择K个单位（模为1）正交基，使得原始数据变换到这组基上后，各字段两两间协方差为0，而字段的方差则尽可能大（在正交的约束下，取最大的K个方差）。

关于PCA的贡献率与K的选择

在我的文章特征值和特征向量中说过，特征值反映了矩阵对于特征向量的拉伸程度，只有拉伸而没有旋转，也就是在特征向量方向上的作用程度，所以在PCA中我们选取前K个特征向量组成新基进行投影，就是因为原特征在前K个特征向量有最大的作用程度。

投影过后可以保留更多的信息，作用程度是用特征值表示的，所以我们可以使用下面的式子表示贡献率，贡献率是表示投影后信息的保留程度的变量，也就是特征值的总和比上前K个特征值，一般来说贡献率要大于85%。

数据说明：采用的数据源是从别人那里拷的2012年全年的Sea Surface Temperature（海标温度，SST）数据，一直想找一份比较好的主成分分析数据，也没找到。

Matlab自身有主成分分析的函数princomp，其中返回的第二个数据就是样本经过K-L变换后的各个成分数据，第三个参数就是特征值大小。（第一个参数貌似是协方差矩阵，我还没看）

PCA的基本原理：

一般图像的线性变换可以表示为：

y=Tx,

式中X为待变换图像数据矩阵，Y为变换后的数据矩阵，T为实现这一线性变换的变换矩阵。如果变换矩阵T是正交矩阵，并且它是由原始图像数据矩阵X的协方差矩阵S的特征向量所组成，则该线性变换成为主成分分析，并且成Y矩阵的每一行矢量为变换后的一个主成分。

具体的算法步骤为：

马上要走了，偷个懒，直接把握之前做的一个PPT放出来了（话说也真是懒啊，这n多年没更新一点内容能不懒嘛！！！(⊙o⊙)…）

以下为代码实现部分：

+ View Code

处理的结果对比显示：

主成分结果显示（按照特征值由大到小）：

这个结果是和它内部的函数运算出来的结果是一样的：

1234567891011121314151617% PCA[coeff score latent] = princomp(sst_data');[m,n] = size(score);%figure;for i = 1:len    outpic = score(:,i);         min_num = min(outpic);    max_num = max(outpic);         outpic = reshape(outpic,360,180);    outpic = rot90(outpic);    outtitle = ['特征值=' num2str(latent(i))];    subplot(4,3,i),imshow(outpic,[min_num max_num]),title(outtitle);%显示，并输出特征值    colorbar;end

打开SPSS软件，导入数据后，依次点击分析，降维，因子分析。

打开因子分析界面之后，把需要进行分析的变量全部选进变量对话框，然后

点击右上角的描述。

勾选原始分析结果、KMO检验对话框，然后点击继续。

点击抽取，再点击碎石图。

点击旋转，再点击最大方差旋转。

点击得分，再点击，保存为变量及显示因子得分系数矩阵。

最后点确定就可以在输出截面看到主成分因子分析的结果了。

主成分分析方法是一种将多个指标化为少数几个不相关的综合指标(即主成分)的多元统计分析方法。由于其具有消除各指标不同量纲的影响,以及消除指标间相关性所带来的信息重叠等优点,近几年,该方法在社会经济、管理、自然科学等众多领域得到了广泛的应用,尤其是被用于系统综合评价。 在使用主成分分析方法做综合评价的过程中,由于部分学者对主成分分析的原理及主成分的定义理解不深,出现了不少错误。 本文通过分析主成分分析的原理及综合评价的特点,从理论和实际例子上证实了有关文献作者在用主成分做综合评价过程中某些做法的不合理性。给出了主成分做综合评价的充要条件,阐明了主成分所含信息量的大小与综合水平之间的差异,为充分利用形状因子(反映指标间结构性差异的主成分)提供的有效信息,提出了一种定性与定量相结合的评价体系。并通过一个实例讲解了评价过程。

PCA是一种无参数的数据降维方法，在机器学习中很常用，这篇文章主要从三个角度来说明PCA是怎么降维的分别是方差角度，特征值和特征向量以及SVD奇异值分解。

推导主要来源于下面网址的这篇文章，是通过方差和协方差矩阵来说明：

http://blogcodinglabsorg/articles/pca-tutorialhtml

PCA通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关的表示，可用于提取数据的主要特征分量，常用于高维数据的降维。

在上面网址的文章中，从头到尾发明了一遍PCA我觉得很有借鉴意义。我们知道PCA是一种数据降维的方法，在降低维度的过程中，我们当然想要保留更多的特征，PCA就是经过数学推导，保留最多特征同时降维的方法。

在推导之前要先知道几个基础知识：

两个维数相同的向量的内积被定义为：

假设A和B是两个n维向量，我们知道n维向量可以等价表示为n维空间中的一条从原点发射的有向线段，为了简单起见我们假设A和B均为二维向量，则A=(x 1 ,y 1 ),B=(x 2 ,y 2 )。则在二维平面上A和B可以用两条发自原点的有向线段表示，见下图：

到这里还是看不出内积和这东西有什么关系，不过如果我们将内积表示为另一种我们熟悉的形式：

下面我们继续在二维空间内讨论向量。上文说过，一个二维向量可以对应二维笛卡尔直角坐标系中从原点出发的一个有向线段。例如下面这个向量：

在代数表示方面，我们经常用线段终点的点坐标表示向量，例如上面的向量可以表示为(3,2)，这是我们再熟悉不过的向量表示。

不过我们常常忽略， 只有一个(3,2)本身是不能够精确表示一个向量的。 我们仔细看一下， 这里的3实际表示的是向量在x轴上的投影值是3，在y轴上的投影值是2。 也就是说我们其实 隐式引入了一个定义：以x轴和y轴上正方向长度为1的向量为标准。 那么一个向量(3,2)实际是说在x轴投影为3而y轴的投影为2。注意投影是一个矢量，所以可以为负。

更正式的说， 向量(x,y)实际上表示线性组合 ：

我们之所以默认选择(1,0)和(0,1)为基，当然是比较方便，因为它们分别是x和y轴正方向上的单位向量，因此就使得二维平面上点坐标和向量一一对应，非常方便。 但实际上任何两个线性无关的二维向量都可以成为一组基， 所谓线性无关在二维平面内可以直观认为是两个不在一条直线上的向量。

例如，(1,1)和(-1,1)也可以成为一组基。一般来说，我们希望基的模是1，因为从内积的意义可以看到，如果基的模是1，那么就可以方便的用向量点乘基而直接获得其在新基上的坐标了！实际上，对应任何一个向量我们总可以找到其同方向上模为1的向量，只要让两个分量分别除以模就好了。例如，上面的基可以变为(1/√2，1/√2)和(-1/√2，1/√2)

现在，我们想获得(3,2)在新基上的坐标，即在两个方向上的投影矢量值，那么根据内积的几何意义，我们只要分别计算(3,2)和两个基的内积，不难得到新的坐标为(5/√2，-1/√2)。下图给出了新的基以及(3,2)在新基上坐标值的示意图：

另外这里要注意的是，我们列举的例子中基是正交的（即内积为0，或直观说相互垂直），但可以成为一组基的唯一要求就是线性无关，非正交的基也是可以的。不过因为正交基有较好的性质， 所以一般使用的基都是正交的。

一般的，如果我们有M个N维向量，想将其变换为由R个N维向量表示的新空间中，那么首先将R个基按行组成矩阵A，然后将向量按列组成矩阵B，那么两矩阵的乘积AB就是变换结果，其中AB的第m列为A中第m列变换后的结果。 （新基按行，向量按列）

特别要注意的是，这里R可以小于N，而R决定了变换后数据的维数。也就是说， 我们可以将一N维数据变换到更低维度的空间中去 ， 变换后的维度取决于基的数量。因此这种矩阵相乘的表示也可以表示降维变换。

最后，上述分析同时给矩阵相乘找到了一种物理解释： 两个矩阵相乘的意义是将右边矩阵中的每一列列向量变换到左边矩阵中每一行行向量为基所表示的空间中去。 更抽象的说，一个矩阵可以表示一种线性变换。很多同学在学线性代数时对矩阵相乘的方法感到奇怪，但是如果明白了矩阵相乘的物理意义，其合理性就一目了然了。

我们从上面的矩阵乘法与基变换可以看出，当新基的维数小于原来的维数时可以做到数据的降维，但是究竟如何选择新基就是我们现在面临的问题，我们想要选择一个维数更小的新基，同时新基保留有更多的信息。我们知道矩阵向新基投影的形式，也就是PCA是将一组N维的特征投影到K维（K<N）同时保留更多的特征。

那么怎么衡量更多的特征，也就是投影后尽量少的重叠，投影值尽可能分散。

这种投影值的分散数学上可以用方差表示。方差公式这里不表， 所以PCA现在的问题就变成了，寻找K维的新基，使得数据变换到这组基上后方差值最大。

从二维到一维的降维，只需要找到一个一维基使得方差最大，但是三维降到二维呢？我们需要找到两个基让这个三维数据投影到两个基上，如果我们找方差最大的两个基，会发现他们完全一样或者线性相关，这和一个基没什么区别，不能表达更多的信息，所以我们需要添加限制条件，我们希望这两个基彼此线性无关，扩展到K个基也是一样。

在数学上使用协方差表示两个向量的相关性，在我们将均值归一化为0后，协方差可以表示为：

=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}a_ib_i)

m为向量的元素数。可以看到，在字段均值为0的情况下，两个字段的协方差简洁的表示为其内积除以元素数m。

当协方差为0时，表示两个字段完全独立。为了让协方差为0，我们选择第二个基时只能在与第一个基正交的方向上选择。因此最终选择的两个方向一定是正交的。

至此，我们得到了降维问题的优化目标： 将一组N维向量降为K维（K大于0，小于N），其目标是选择K个单位（模为1）正交基，使得原始数据变换到这组基上后，各字段两两间协方差为0，而字段的方差则尽可能大（在正交的约束下，取最大的K个方差）。

上面我们导出了优化目标，但是这个目标似乎不能直接作为操作指南（或者说算法），因为它只说要什么，但根本没有说怎么做。所以我们要继续在数学上研究计算方案。

我们看到，最终要达到的目的与字段内方差及字段间协方差有密切关系。因此我们希望能将两者统一表示，仔细观察发现，两者均可以表示为内积的形式，而内积又与矩阵相乘密切相关。于是我们来了灵感：

假设我们只有a和b两个特征，那么我们将它们按行组成矩阵X：

然后我们用X乘以X的转置，并乘上系数1/m：

这个矩阵对角线上的两个元素分别是两个字段的方差，而其它元素是a和b的协方差。两者被统一到了一个矩阵的。

根据矩阵相乘的运算法则，这个结论很容易被推广到一般情况：

设我们有m个n维数据记录，将其按列排成n乘m的矩阵X，设C=1/mXX T ，则C是一个对称矩阵，其对角线分别个各个字段的方差，而第i行j列和j行i列元素相同，表示i和j两个字段的协方差。

根据上述推导，我们发现要达到优化目前，等价于将协方差矩阵对角化：即除对角线外的其它元素化为0，并且在对角线上将元素按大小从上到下排列，这样我们就达到了优化目的。这样说可能还不是很明晰，我们进一步看下原矩阵与基变换后矩阵协方差矩阵的关系：

设原始数据矩阵X对应的协方差矩阵为C，而P是一组基按行组成的矩阵，设Y=PX，则Y为X对P做基变换后的数据。设Y的协方差矩阵为D，我们推导一下D与C的关系：

现在事情很明白了！我们要找的P不是别的，而是能让原始协方差矩阵对角化的P。换句话说， 优化目标变成了寻找一个矩阵P，满足PCP T 是一个对角矩阵 ，并且对角元素按从大到小依次排列，那么P的前K行就是要寻找的基，用P的前K行组成的矩阵乘以X就使得X从N维降到了K维并满足上述优化条件。

由上文知道，协方差矩阵C是一个是对称矩阵，在线性代数上，实对称矩阵有一系列非常好的性质：

1）实对称矩阵不同特征值对应的特征向量必然正交。

2）设特征向量λ重数为r，则必然存在r个线性无关的特征向量对应于λ，因此可以将这r个特征向量单位正交化。

由上面两条可知，一个n行n列的实对称矩阵一定可以找到n个单位正交特征向量，设这n个特征向量为e 1 ,e 2 ,,e n ，我们将其按列组成矩阵：

则对协方差矩阵C有如下结论：

其中Λ为对角矩阵，其对角元素为各特征向量对应的特征值（可能有重复）。以上结论不再给出严格的数学证明，对证明感兴趣的朋友可以参考线性代数书籍关于“实对称矩阵对角化”的内容。

到这里，我们发现我们已经找到了需要的矩阵P：

P是协方差矩阵的特征向量单位化后按行排列出的矩阵，其中每一行都是C的一个特征向量。如果设P按照Λ中特征值的从大到小，将特征向量从上到下排列，则用P的前K行组成的矩阵乘以原始数据矩阵X，就得到了我们需要的降维后的数据矩阵Y。

至此我们完成了整个PCA的数学原理讨论。

在我的文章特征值和特征向量中说过，特征值反映了矩阵对于特征向量的拉伸程度，只有拉伸而没有旋转，也就是在特征向量方向上的作用程度，所以在PCA中我们选取前K个特征向量组成新基进行投影，就是因为原特征在前K个特征向量有最大的作用程度，投影过后可以保留更多的信息，作用程度是用特征值表示的，所以我们可以使用下面的式子表示贡献率，贡献率是表示投影后信息的保留程度的变量，可以用下面的式子表示：

也就是特征值的总和比上前K个特征值，一般来说贡献率要大于85%。

上面的推导中我们看到

其实就是对于D的奇异值分解。但是其实两者还有一些区别：

1） SVD可以获取另一个方向上的主成分，而PCA只能获得单个方向上的主成分：

隐语义索引（Latent semantic indexing，简称LSI）通常建立在SVD的基础上，通过低秩逼近达到降维的目的。

注意到PCA也能达到降秩的目的，但是PCA需要进行零均值化，且丢失了矩阵的稀疏性。

通过SVD可以得到PCA相同的结果，但是SVD通常比直接使用PCA更稳定。因为PCA需要计算X T X的值，对于某些矩阵，求协方差时很可能会丢失一些精度。例如Lauchli矩阵：

1）将原始数据按列组成n行m列矩阵X

2）将X的每一行（代表一个属性字段）进行零均值化，即减去这一行的均值

3）求出协方差矩阵

4）求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量

5）将特征向量按对应特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取前k行组成矩阵P

6）Y=PX即为降维到k维后的数据

courser里吴恩达的PCA的习题就不错。

在前面我们学习了一种有监督的降维方法——线性判别分析（Linear Dscriminant Analysis，LDA）。LDA不仅是一种数据压缩方法还是一种分类算法，LDA将一个高维空间中的数据投影到一个低维空间中去，通过最小化投影后各个类别的类内方差和类间均值差来寻找最佳的投影空间。

本文介绍的主成分分析（Principe Component Analysis，PCA）也是一种降维技术，与LDA不同的是，PCA是一种无监督降维技术，因此PCA的主要思想也与LDA不同。LDA是一种有监督的分类兼降维技术，因此其最大化均值差最小化类内差的思想够保证在降维后各个类别依然能够很好地分开。但PCA只用来降维而无需分类，因此PCA需要考虑的是如何在降维压缩数据后尽可能的减少数据信息的损失。在PCA中使用协方差来表示信息量的多少，至于为什么能这么表示后面再进行介绍。下面我们从一些基本的线代知识开始。

在进行数据分析时我们的数据样本经常被抽象为矩阵中的一组向量，了解一些线代基础知识理解PCA非常重要，但在这里我们并不准备也不可能将所有的线代知识都罗列以便，因此这里我们仅会复习一些对理解PCA较为重要的东西。更多线代的内容可参考下面几个链接：

为了方便，我们这里以一个二维平面为例。

在前面我们说了，在数据处理时我们经常讲一个样本数据当作一个向量。在二维平面中，一个向量从不同的角度有不同的理解方式，例如对于向量 (-2, 3) T ：

在我们描述任何东西的时候其实都是选择了一个参照系的，也即事物都是相对的，最简单的运动与静止（以静止的事物为参照），说一个有点意思的——人，人其实也是放在一个参考系中的，我们可以将其理解为生物种类系统，抛开这个大的系统去独立的定义人是很难让人理解的。向量也是这样的，虽然我们前面没有指明，但是上面的向量其实是在一个默认坐标系（或称为空间）中的，也即x，y轴，但是在线性代数中我们称其为基。在线代中任何空间都是由一组线性无关的（一维空间由一个基组成）基向量组成。这些基向量可以组成空间中的任何向量。

现在假设我们有如下一个矩阵相乘的式子：

因此，上面的例子可以有两种理解方式：

（1）如果我们将值全为1对角方阵视为标准坐标系，则它表示在 i=(1, -2) T 和 j=(3, 0) T 这组基底下的坐标 (-1, 2) T 在基底 (1, 0) T 、(0, 1) T 下的坐标，如下：

当我们讨论向量 (-1, 2) T 时，都隐含了一个默认的基向量假设：沿着x轴方向长度为1的 i，沿着y轴长度为1的j。

但是，(-1, 2) T 可以是任何一组基底下的向量。例如，他可能是i'=(2,1) T , j'=(-1, 1) T 这组基下的一个向量。此时他在我们默认坐标系 i=(1, 0) T ，j=(0, 1) T 下的计算过程如下：

我们可以从另一个角度理解基地变换的过程：我们先 误认为 (-1, 2) T 是坐标系i=(1, 0) T ，j=(0, 1) T 下的坐标，此时我们通过线性变换[[2, -1], [1, 1]]（每个嵌套列表看做一行）把坐标轴i，j（基坐标）分别变换到了新的位置 i1=(2, 1) T , j1=(-1, 1) T （他们也是用默认坐标系表示的），即[2, -1], [1, 1]]。此时我们把“误解”转换成了真正的向量。如下：

在上面我们说了矩阵是一种变换，现在我们继续从这个角度来理解特征值和特征向量。为了方便理解，我们在这里做一个类比——将变换看作物理中的作用力。我们知道一个力必须有速度和方向，而矩阵对一个向量施加的变换也是一样的。考虑一下特征向量的定义：

上面介绍了一些基本的线性代数相关的知识，下面开始介绍PCA的原理。

上面我们讨论了选择不同的基可以对同样一组数据给出不同的表示，而且如果基的数量少于向量本身的维数，则可以达到降维的效果。但是我们还没有回答一个最最关键的问题：如何选择基才是最优的。或者说，如果我们有一组N维向量，现在要将其降到K维（K小于N），那么我们应该如何选择K个基才能最大程度保留原有的信息？

要完全数学化这个问题非常繁杂，这里我们用一种非形式化的直观方法来看这个问题。

为了避免过于抽象的讨论，我们仍以一个具体的例子展开。假设我们的数据由五条记录组成，将它们表示成矩阵形式：

其中每一列为一条数据记录，而一行为一个字段。为了后续处理方便，我们首先将每个字段内所有值都减去字段均值，其结果是将每个字段都变为均值为0（这样做的道理和好处后面会看到）。中心化的数据为：

通过上一节对基变换的讨论我们知道，这个问题实际上是要在二维平面中选择一个方向，将所有数据都投影到这个方向所在直线上，用投影值表示原始记录。这是一个实际的二维降到一维的问题。

那么如何选择这个方向（或者说基）才能尽量保留最多的原始信息呢？一种直观的看法是：希望投影后的投影值尽可能分散。

以上图为例，可以看出如果向x轴投影，那么最左边的两个点会重叠在一起，中间的两个点也会重叠在一起，于是本身四个各不相同的二维点投影后只剩下两个不同的值了，这是一种严重的信息丢失，同理，如果向y轴投影最上面的两个点和分布在x轴上的两个点也会重叠。所以看来x和y轴都不是最好的投影选择。我们直观目测，如果向通过第一象限和第三象限的斜线投影，则五个点在投影后还是可以区分的。

下面，我们用数学方法表述这个问题。

对于上面二维降成一维的问题来说，找到那个使得方差最大的方向就可以了。不过对于更高维，还有一个问题需要解决。考虑三维降到二维问题。与之前相同，首先我们希望找到一个方向使得投影后方差最大，这样就完成了第一个方向的选择，继而我们选择第二个投影方向。

如果我们还是单纯只选择方差最大的方向，很明显，这个方向与第一个方向应该是“几乎重合在一起”，显然这样的维度是没有用的，因此，应该有其他约束条件。 从直观上说，让两个字段尽可能表示更多的原始信息，我们是不希望它们之间存在（线性）相关性的，因为相关性意味着两个字段不是完全独立，必然存在重复表示的信息。

可以看到，在字段均值为0的情况下，两个字段的协方差简洁的表示为其内积除以元素数m。

当协方差为0时，表示两个字段完全独立。为了让协方差为0，我们选择第二个基时只能在与第一个基正交的方向上选择。因此最终选择的两个方向一定是正交的。

至此，我们得到了降维问题的优化目标： 将一组N维向量降为K维（K大于0，小于N），其目标是选择K个单位（模为1）正交基，使得原始数据变换到这组基上后，各字段两两间协方差为0，而字段的方差则尽可能大（在正交的约束下，取最大的K个方差）。

上面我们导出了优化目标，但是这个目标似乎不能直接作为操作指南（或者说算法），因为它只说要什么，但根本没有说怎么做。所以我们要继续在数学上研究计算方案。

我们看到，最终要达到的目的与字段内方差及字段间协方差有密切关系。因此我们希望能将两者统一表示，仔细观察发现，两者均可以表示为内积的形式，而内积又与矩阵相乘密切相关。于是我们来了灵感：

假设我们只有a和b两个字段，那么我们将它们按行组成矩阵X：

然后我们用X乘以X的转置，并乘上系数1/m：

根据矩阵相乘的运算法则，这个结论很容易被推广到一般情况：

设我们有m个n维数据记录，将其按列排成n乘m的矩阵X，设C=1/m(XX T )，则C是一个对称矩阵，其对角线分别个各个字段的方差，而第i行j列和j行i列元素相同，表示i和j两个字段的协方差。

根据上述推导，我们发现要达到优化目前，等价于将协方差矩阵对角化：即除对角线外的其它元素化为0，并且在对角线上将元素按大小从上到下排列，这样我们就达到了优化目的 。这样说可能还不是很明晰，我们进一步看下原矩阵与基变换后矩阵协方差矩阵的关系：

设原始数据矩阵X对应的协方差矩阵为C，而P是一组基按行组成的矩阵，设Y=PX，则Y为P对X做基变换后的数据。设Y的协方差矩阵为D，我们推导一下D与C的关系：

现在所有焦点都聚焦在了协方差矩阵对角化问题上，有时，我们真应该感谢数学家的先行，因为矩阵对角化在线性代数领域已经属于被玩烂了的东西，所以这在数学上根本不是问题。

由上文知道，协方差矩阵C是一个是对称矩阵，在线性代数上，实对称矩阵有一系列非常好的性质：

1）实对称矩阵不同特征值对应的特征向量必然正交。

2）设特征向量λ重数为r，则必然存在r个线性无关的特征向量对应于λ，因此可以将这r个特征向量单位正交化。

则对协方差矩阵C有如下结论：

以上结论不再给出严格的数学证明，对证明感兴趣的朋友可以参考线性代数书籍关于“实对称矩阵对角化”的内容。

到这里，我们发现我们已经找到了需要的矩阵P：P = E T

P是协方差矩阵的特征向量单位化后按行排列出的矩阵，其中每一行都是C的一个特征向量。如果设P按照Λ中特征值的从大到小，将特征向量从上到下排列，则用P的前K行组成的矩阵乘以原始数据矩阵X，就得到了我们需要的降维后的数据矩阵Y。

PCA的特征向量的求解除了使用上述最大化方差的矩阵分解方法，还可以使用最小化损失法，具体可参见： 机器学习中的数学(4)-线性判别分析（LDA）, 主成分分析(PCA) 。

总结一下PCA的算法步骤：

设有m条n维数据。

LDA和PCA都用于降维，两者有很多相同，也有很多不同的地方，因此值得好好的比较一下两者的降维异同点。

首先我们看看相同点：

我们接着看看不同点：

参考：

PCA的数学原理

线性代数的直觉

线性判别分析LDA原理总结