【简化数据】奇异值分解(SVD)

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2014-12-28 15:28  

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【简化数据】奇异值分解(SVD)

@author：wepon

@blog：http://blog.csdn.net/u012162613/article/details/42214205

1、简介

奇异值分解（singular Value Decomposition），简称SVD，线性代数中矩阵分解的方法。假如有一个矩阵A，对它进行奇异值分解，可以得到三个矩阵：

这三个矩阵的大小：

矩阵sigma(即上图U和V中间的矩阵)除了对角元素不为0，其他元素都为0，并且对角元素是从大到小排列的，前面的元素比较大，后面的很多元素接近0。这些对角元素就是奇异值。

sigma中有n个奇异值，但是由于排在后面的很多接近0，所以我们可以仅保留比较大的r个奇异值：

实际应用中，我们仅需保留着三个比较小的矩阵，就能表示A，不仅节省存储量，在计算的时候更是减少了计算量。SVD在信息检索（隐性语义索引）、图像压缩、推荐系统、金融等领域都有应用。

在上一篇文章主成分分析中，我是通过特征值分解的方法来实现PCA的，除了特征值分解，还可以用奇异值分解来实现PCA。特征值和奇异值二者之间是有关系的：上面我们由矩阵A获得了奇异值sigma(i)，假如方阵A*A'的特征值为lamda(i)，则：sigma(i)^2=lamda(i)。可以发现，求特征值必须要求矩阵是方阵，而求奇异值对任意矩阵都可以，因此PCA的实现其实用SVD的更多，在scikit-learn中，PCA算法其实也是通过SVD来实现的。

2、在python中使用SVD

numpy中的linalg已经实现了SVD，可以直接调用

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1. >>> A=mat([[1,2,3],[4,5,6]])  
2. >>> from numpy import linalg as la  
3. >>> U,sigma,VT=la.svd(A)  
4. >>> U  
5. matrix([[-0.3863177 , -0.92236578],  
6.         [-0.92236578,  0.3863177 ]])  
7. >>> sigma  
8. array([ 9.508032  ,  0.77286964])  
9. >>> VT  
10. matrix([[-0.42866713, -0.56630692, -0.7039467 ],  
11.         [ 0.80596391,  0.11238241, -0.58119908],  
12.         [ 0.40824829, -0.81649658,  0.40824829]])  

有一点需要注意，sigma本来应该跟A矩阵的大小2*3一样，但linalg.svd()只返回了一个行向量的sigma，并且只有2个奇异值（本来应该有3个），这是因为第三个奇异值为0，舍弃掉了。之所以这样做，是因为当A是非常大的矩阵时，只返回奇异值可以节省很大的存储空间。当然，如果我们要重构A，就必须先将sigma转化为矩阵。

推荐文章，也是本文参考的一篇文章：机器学习中的数学(5)-强大的矩阵奇异值分解(SVD)及其应用