【SVD（奇异值分解）】详解及python-Numpy实现_numpy svd

作者：凡人多烦事01 | 2024-06-13 17:12:05

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numpy svd

一、特征值分解（EVD）

二、奇异值分解（SVD）

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。

一、特征值分解（EVD）

如果矩阵A是一个m × m的实对称矩阵（即A= $A^{T}$ ），那么它可以被分解成如下的形式

其中Q为标准正交阵，即有 $QQ^{T}=E$ ，Σ 为对角矩阵，且上面的矩阵的维度均为m×m。 $\lambda _{i}$ 称为特征值， $q_{i}$ 是Q（特征矩阵）中的列向量，称为特征向量。

上面的特征值分解，对矩阵有着较高的要求，需要A为实对称矩阵。

但是一般的矩阵分解呢？这就需要我们接下来介绍的，矩阵奇异值分解。

二、奇异值分解（SVD）

有一个m×n的实数矩阵A，我们想要把它分解成如下的形式

$A=U\Sigma V^T$

其中U和V均为单位正交阵，即有 $UU^T=E$ 和 $VV^T=E$ ，U称为左奇异矩阵，V称为右奇异矩阵，Σ仅在主对角线上有值，我们称它为奇异值，其它元素均为0。上面矩阵的维度分别为 $U\in R^{M\times N },\Sigma \in R^{M\times N },V\in R^{M\times N }$ 。

一般地Σ有如下形式:

对于奇异值分解，我们可以利用上面的图形象表示，图中方块的颜色表示值的大小，颜色越浅，值越大。对于奇异值矩阵Σ，只有其主对角线有奇异值，其余均为0。

奇异值求解

利用如下性质求 U,V,Σ

$AA^T=U\Sigma V^TV\Sigma ^TU^T=U\Sigma \Sigma ^TU^T$

$A^TA=V\Sigma ^TU^TU\Sigma V^T=V\Sigma ^T\Sigma V^T$

需要指出的是，这里 $\Sigma \Sigma ^T$ 与 $\Sigma ^T\Sigma$ 在矩阵的角度上来讲，它们是不相等的，因为它们的维数不同 $\Sigma \Sigma ^T\in R^{m\times m}$ ，而 $\Sigma ^T\Sigma \in R^{n\times n}$ ，但是它们在主对角线的奇异值是相等的，即有

对 $\Sigma \Sigma ^T$ 或 $\Sigma ^T\Sigma$ 中的特征值开方，可以得到所有的奇异值。

svd-python实现

numpy自带svd函数


import numpy as np
def svd(M):
    """
    Args:
        M: numpy matrix of shape (m, n)
    Returns:
        u: numpy array of shape (m, m).
        s: numpy array of shape (k).
        v: numpy array of shape (n, n).
    """
    u,s,v = np.linalg.svd(M)
 
    return u, s, v

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