DevbunovaViliana / Метод главных компонент (PСA)

Автор: Девбунова Вилиана Олеговна, студент ММП ВМК МГУ (417)

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Метод Главных Компонент (англ. Principal Components Analysis, PCA) — один из основных способов уменьшить размерность данных, потеряв наименьшее количество информации. Изобретен К. Пирсоном (англ.Karl Pearson) в 1901 г. Применяется во многих областях, таких как распознавание образов, компьютерное зрение, сжатие данных и т. п. Вычисление главных компонент сводится к вычислению собственных векторов и собственных значений ковариационной матрицы исходных данных или к сингулярному разложению матрицы данных.

Иногда метод главных компонент называют преобразованием Кархунена-Лоэва (англ. Karhunen-Loeve)или преобразованием Хотеллинга (англ. Hotelling transform). Другие способы уменьшения размерности данных — это метод независимых компонент, многомерное шкалирование, а также многочисленные нелинейные обобщения: метод главных кривых и многообразий, поиск наилучшей проекции (англ. Projection Pursuit), нейросетевые методы «узкого горла», самоорганизующиеся карты Кохонена и др.

Математическое описание алгоритма

Задача анализа главных компонент имеет много версий, вот базовые из них:

• аппроксимировать данные линейными многообразиями меньшей размерности;
• найти подпространства меньшей размерности, в ортогональной проекции на которые разброс данных максимален;
• найти подпространства меньшей размерности, в ортогональной проекции на которые среднеквадратичное расстояние между точками максимально;
• для данной многомерной случайной величины построить такое ортогональное преобразование координат, в результате которого корреляции между отдельными координатами обратятся в нуль.

Мы будем рассматривать только один вариант.

Вычислительное ядро алгоритма

Мы будем реализовывать PCA с помощью нахождения подпространства меньшей размерности, в ортогональной проекции на которые среднеквадратичное расстояние между точками максимально. Для вычисления собственных значений и соответствующих им собственных векторов будем использовать метод степенных итераций

Алгоритм вычисления собственных значений метод степенных итераций

Метод степенных итераций - это итерационный метод вычисления собственных значений и собственных векторов вещественной матрицы. Алгоритм вычисляет вектор [math]\displaystyle{ e }[/math], содержащий собственные значения , и матрицу [math]\displaystyle{ E }[/math], содержащую соответствующие собственные векторы, т. е. [math]\displaystyle{ e_i }[/math]-собственное значение, а столбец [math]\displaystyle{ E_i }[/math]-ортонормированный собственный вектор для [math]\displaystyle{ e_i }[/math], для [math]\displaystyle{ i = 1,...,n }[/math].

Задача нахождения подпространства меньшей размерности

Будем искать подпространство меньшей размерности, в ортогональной проекции на которые среднеквадратичное расстояние между точками максимально. Будем использовать жадную стратегию: Будем подбирать единичные вектора [math]\displaystyle{ E_i }[/math], такие что норма проекций на этот вектор будет максимальна.

• 1.[math]\displaystyle{ ||M E_1||^2 → max_{E_1} }[/math]
• 2. [math]\displaystyle{ |M E_2||^2 → max_{E_2} }[/math] и [math]\displaystyle{ E_1 }[/math] ортогонален [math]\displaystyle{ E_2 }[/math]
• 3. и т.д.

Запишем задачу Лагранжа: [math]\displaystyle{ \frac{d}{dE_1}(E_1^TM^TME_1 - \lambda(E_1^TE_1 -1) = 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ M^TME_1 - \lambda E_1 = 0 }[/math] Значит, задача сводится к последовательному нахождению собственных векторов, отвечающих максимальным собственным значениям матрицы [math]\displaystyle{ M^TM }[/math]

Алгоритм:

• 1. Вычислить эрмитов матрицу (найти сопряженную транспонированную), [math]\displaystyle{ M^T }[/math] из матрицы [math]\displaystyle{ M }[/math].
• 2. Вычислить умножение [math]\displaystyle{ M^TM }[/math]
• 3. Вычислить собственные значения и собственные векторы [math]\displaystyle{ M^TM }[/math], используя аметод степенных итераций.
• 4. Отсортировать собственные значения и соответствующие столбцы собственных векторов в порядке убывания собственных значений. И взять первые [math]\displaystyle{ k }[/math] собственных векторов, отвечающих максимальным собственным значениям.

Анализ основных компонентов (PCA)

Анализ главных компонент, или сокращенно PCA, - это математическая процедура, которая преобразует набор (возможно коррелированных) переменных в меньшее число некоррелированных переменных, которые называют главными компонентами. Цель анализа главных компонент состоит в том, чтобы уменьшить размерность (количество признаков) набора данных, но сохранить как можно больше исходной изменчивости в данных. На первый основной компонент приходится большая часть изменчивости данных, на второй основной компонент приходится большая часть оставшейся изменчивости и т. д. PCA можно рассматривать как метод проекции, при котором данные с [math]\displaystyle{ n }[/math]-признаками проецируются на подпространство с [math]\displaystyle{ n }[/math] (или меньшим количеством) признаков, сохраняя при этом большую часть информации. Мы будем внешне задавать размерность признанного пространства, которое хотим получить [math]\displaystyle{ k }[/math].

Макроструктура алгоритма

Макроструктура алгоритма:

• 1. Вычислить [math]\displaystyle{ M^T }[/math] из матрицы [math]\displaystyle{ M }[/math].
• 2. Вычислить умножение [math]\displaystyle{ M^TM }[/math]
• 3. В цикле до сходимости вычислять:

[math]\displaystyle{ E_{k+1} = \frac{M^TME_k}{\|M^TME_k\|} }[/math] -- сойдется к собственному вектору, отвечающему максимальному значению, тогда последовательность [math]\displaystyle{ \lambda_{k+1} = \frac{(E_k,M^TME_k)}{(E_k,E_k)} }[/math] сойдется к максимальному собственному значению.

• 4. Теперь вместо выражения [math]\displaystyle{ M^TM }[/math] в пункте 3 используем

[math]\displaystyle{ M^TM - \lambda_k E_k E_k^T }[/math]

• 5. Повторяем пункт 3 и 4 столько раз, какой размерности хотим получить новое пространство.

Схема реализации последовательного алгоритма

Блок-схема алгоритма

Последовательная сложность алгоритма

Оценим сложности операций. Пусть [math]\displaystyle{ n }[/math] -- количество объектов в выборке, [math]\displaystyle{ d }[/math] -- размерность пространства признаков, [math]\displaystyle{ k }[/math] -- размерность итогового пространства (но так как основной смысл задачи -- это понижение размерности, то [math]\displaystyle{ k \lt \lt n }[/math] и [math]\displaystyle{ k \lt \lt d }[/math], поэтому мы не будем учитывать его при подсчете асимптотической сложности), тогда: нахождение транспонированной матрицы [math]\displaystyle{ O(n*d) }[/math], перемножение [math]\displaystyle{ M^TM }[/math]имеет сложность [math]\displaystyle{ O(n*d^2) }[/math], случайная генерация вектора [math]\displaystyle{ O(d) }[/math], вычисление [math]\displaystyle{ E_k }[/math] состоит из перемножения матрицы на вектор, что занимает [math]\displaystyle{ O(d^2) }[/math], вычисление нормы вектора [math]\displaystyle{ O(d) }[/math] и покомпонентного деление вектора на константу [math]\displaystyle{ O(d) }[/math]. Подсчет [math]\displaystyle{ \lambda_k }[/math] использует уже посчитанное для [math]\displaystyle{ E_k }[/math] умножение матрицы на вектор, дополнительно происходит два раза скалярное произведение над векторами [math]\displaystyle{ O(d) }[/math], и поэлементное деление вектора на константу [math]\displaystyle{ O(d) }[/math]. Вычисление [math]\displaystyle{ \lambda_k E_k E_k^T }[/math] занимает [math]\displaystyle{ O(d^2) }[/math], вычитание матриц имеет сложность [math]\displaystyle{ O(d^2) }[/math].

Информационный граф

Так как алгоритм очень объемный и его не возможно представить в 3-ех мерном пространстве, то изобразим информационный граф самой частой операции в алгоритме: умножение матрицы на вектор.

Ошибка создания миниатюры: Файл не найден

Информационный граф умножения матрицы на вектор

Одной из самых сложных операций в алгоритме является операция перемножения матриц, ее информационный граф выглядит следующим образом:

Информационный граф перемножения матриц

Ресурс параллелизма алгоритма

Если посмотреть на блок-схему алгоритма, то видно, что он строго последовательный на макроуровне, но отдельно взятые операции можно распараллелить. Причем они могут быть распараллелены покоординатно (так как имеют независимость итераций в некоторых циклах): умножение матриц, деление вектора на константу, умножение вектора на константу, транспонирование матрицы, вычитание матриц, умножение матрицы на число. К примеру, для умножения квадратной матрицы [math]\displaystyle{ R^{d×d} }[/math] на вектор [math]\displaystyle{ R^d }[/math] нужно последовательно выполнить по [math]\displaystyle{ d }[/math] ярусов умножений и сложений, где в каждом ярусе [math]\displaystyle{ d }[/math] операций. Для алгоритма умножения матриц [math]\displaystyle{ R^{d×n} }[/math] на [math]\displaystyle{ R^{n×d} }[/math] требуется последовательно выполнить по [math]\displaystyle{ n }[/math] ярусов умножений и сложений, где в каждом из ярусов [math]\displaystyle{ d^2 }[/math] операций.

Входные и выходные данные алгоритма

На вход алгоритма поступает матрица [math]\displaystyle{ M \in R^{n×d} }[/math], где по строкам записано признаковое представление объектов и число k до какого размера мы хотим сократить размерность пространства признаков (обычно [math]\displaystyle{ k \lt \lt d }[/math]). На выходе мы получаем [math]\displaystyle{ k }[/math] векторов и соответствующих им собственных значений матрицы [math]\displaystyle{ M^TM }[/math], отсортированных в порядке убывания. Проекция объектов из [math]\displaystyle{ M }[/math] на эти вектора дает новое представление этих объектов, но в пространстве размерности [math]\displaystyle{ k }[/math], и это есть наилучшее представление для данной размерности (потеряли наименьшее количество информации при переходе).

Программная реализация алгоритма

Масштабируемость алгоритма и его реализации

График производительности

К сожалению, мы не можем рассчитать в GFlops, потому что не можем точно сказать количество операций (не знаем за сколько шагов у нас сойдется собственное значение и собственный векторв).

Проведем оценку масштабируемости:

• 1. По количеству потоков: При увеличении количества потоков время работы алгоритма уменьшается. Отметим, что с каждым увеличением количества потоков уменьшается скорость роста времени работы при фиксированном колличестве потоков и увеличении размера признакого пространства.
• 2. По размеру пространства признаков: С увеличением размера данных задача считается дольше. Аналогично, заметим, что если брать график времени работы относительно фиксированного размера признаков: берем график времени в зависимости от количества потоков при 10 тысячах признаков, потом при 15, 20 и так далее, увидим, что скорость падения нашей функции с ростом размерности пространства увеличивается.
• 3. По двум напрвлениям сразу: Время работы алгоритма монотонно уменьшается с увеличением количества потоков и уменьшением размера признакого пространства одновременно.

Существующие реализации алгоритма

Есть реализация метода главных компонент в библиотеке scikit-learn для Python. Ссылка на библиотечный метод. Но сам код реализации посмотреть невозможно, потому что это библиотека с закрытым кодом.

Литература

[1] Wikipedia contributors. Principal component analysis. In Wikipedia, The Free Encyclopedia from https://en.wikipedia.org/wiki/Principal_component_analysis