数学建模之主成分分析_主成分分析的数学模型

主成分分析

基本概念：主成分分析是一种降维算法，它能将多个指标转换为少数几个主成分，这些主成分是原始变量的线性组合，且彼此之间互不相关，其能反映出原始数据的大部分信息。一般来说，当研究的问题涉及到多变量且变量之间存在很强的相关性时，我们可考虑使用主成分分析的方法来对数据进行简化。
数据降维及其作用：
降维是将高维度的数据（指标太多）保留下最重要的一些特征，去除噪声和不重要的特征，从而实现提升数据处理速度的目的。
在实际的生产和应用中，降维在一定的信息损失范围内，可以为我们节省大量的时间和成本。降维也成为应用非常广泛的数据预处理方法。
降维优点：
使得数据集更易使用；
降低算法的计算开销；
去除噪声；
使得结果容易理解

严谨的数学符号：

PCA的计算步骤：

因子分析

因子分析由斯皮尔曼在1904年首次提出，其在某种程度上可以被看成是主成分分析的推广和扩展。
因子分析法通过研究变量间的相关系数矩阵，把这些变量间错综复杂的关系归结成少数几个综合因子，由于归结出的因子个数少于原始变量的个数，但是它们又包含原始变量的信息，所以，这一分析过程也称为降维。由于因子往往比主成分更易得到解释，故因子分析比主成分分析更容易成功，从而有更广泛的应用。

因子分析：统计：
统计
•单变量描述：输出参与分析的每个原始变量的均值、标准差和有效取值个数。
•初始解：输出未经过旋转直接计算得到的初始公因子、初始特征值和初始方差贡献率等信息。
相关性矩阵
•系数：输出初始分析变量间的相关系数矩阵。
•显著性水平：输出每个相关系数对于单侧假设检验的显著性水平。
•决定因子：输出相关系数矩阵的行列式。
•逆：输出相关系数的逆矩阵。
•再生：输出因子分析后的相关矩阵，还给出原始相关与再生相关之间的差值，即残差。
•反映像：输出反映像相关矩阵，包括偏相关系数的负数。
• KMO检验和巴特利特球形检验：进行因子分析前要对数据进行KMO检验和巴特利特球形检验。

确定因子的数目：
碎石检验（scree test）是根据碎石图来决定因素数的方法。Kaiser提出，可通过直接观察特征值的变化来决定因素数。当某个特征值较前一特征值的值出现较大的下降，而这个特征值较小，其后面的特征值变化不大，说明添加相应于该特征值的因素只能增加很少的信息，所以前几个特征值就是应抽取的公共因子数。
注意：第一次运行因子分析的结果一般作为参考，下面我们需要根据第一次运行的结果来确定公共因子的个数。