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在之前的一篇文章：劃重點！通俗解釋協(xié)方差與相關(guān)系數(shù)，紅色石頭為大家通俗化地講解了協(xié)方差是如何定義的，以及如何直觀理解協(xié)方差，并且比較了協(xié)方差與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系。

本文紅色石頭將繼續(xù)使用白話語言，介紹機器學習中應用十分廣泛的矩陣分解方法：奇異值分解（SVD）。本文不注重詳細的數(shù)學推導，只注重感性的理解以及如何在實際應用中使用它們。

1

普通方陣的矩陣分解（EVD）

我們知道如果一個矩陣 A 是方陣，即行列維度相同（mxm），一般來說可以對 A 進行特征分解：

其中，U 的列向量是 A 的特征向量，Λ 是對角矩陣，Λ 對角元素是對應特征向量的特征值。

舉個簡單的例子，例如方陣 A 為：

那么對其進行特征分解，相應的 Python 代碼為：

運行輸出：

特征分解就是把 A 拆分，如下所示：

其中，特征值?λ1=3.41421356，對應的特征向量 u1=[0.81649658 0.57735027]；特征值?λ2=0.58578644，對應的特征向量 u2=[-0.81649658 0.57735027]，特征向量均為列向量。

值得注意的是，特征向量都是單位矩陣，相互之間是線性無關(guān)的，但是并不正交。得出的結(jié)論是對于任意方陣，不同特征值對應的特征向量必然線性無關(guān)，但是不一定正交。

02

對稱矩陣的矩陣分解（EVD）

如果方陣 A 是對稱矩陣，例如：

對稱矩陣特征分解滿足以下公式：

那么對其進行特征分解，相應的 Python 代碼為：

運行輸出：

特征分解就是把 A 拆分，如下所示：

其中，特征值?λ1=2.61803399，對應的特征向量 u1=[0.85065081 0.52573111]；特征值?λ2=0.38196601，對應的特征向量 u2=[-0.52573111 0.85065081]，特征向量均為列向量。

注意，我們發(fā)現(xiàn)對陣矩陣的分解和非對稱矩陣的分解除了公式不同之外，特征向量也有不同的特性。對稱矩陣的不同特征值對應的特征向量不僅線性無關(guān)，而且是相互正交的。什么是正交呢？就是特征向量內(nèi)積為零。驗證如下：

0.85065081 * -0.52573111 + 0.52573111 * 0.85065081 = 0

重點來了，對稱矩陣 A 經(jīng)過矩陣分解之后，可以寫成以下形式：

對上式進行驗證：

這種分解形式非常有用，待會紅色石頭即將介紹。

3

奇異值分解（SVD）

我們發(fā)現(xiàn)，在矩陣分解里的 A 是方陣或者是對稱矩陣，行列維度都是相同的。但是實際應用中，很多矩陣都是非方陣、非對稱的。那么如何對這類矩陣進行分解呢？因此，我們就引入了針對維度為 mxn 矩陣的分解方法，稱之為奇異值分解（Singular Value Decomposition）。

假設(shè)矩陣 A 的維度為 mxn，雖然 A 不是方陣，但是下面的矩陣卻是方陣，且維度分別為 mxm、nxn。

因此，我們就可以分別對上面的方陣進行分解：

其中，Λ1 和?Λ2 是對焦矩陣，且對角線上非零元素均相同，即兩個方陣具有相同的非零特征值，特征值令為?σ1,?σ2, ... ,?σk。值得注意的是，k<=m 且 k<=n。

根據(jù)?σ1,?σ2, ... , σk 就可以得到矩陣 A 的特征值為：

接下來，我們就能夠得到奇異值分解的公式：

其中，P 稱為左奇異矩陣，維度是 mxm，Q 稱為右奇異矩陣，維度是 nxn。Λ 并不是方陣，其維度為 mxn，Λ 對角線上的非零元素就是 A 的特征值?λ1,?λ2, ... ,?λk。圖形化表示奇異值分解如下圖所示：

舉個簡單的例子來說明，令 A 為 3x2 的矩陣：

則有：

計算得到特征向量 P 和對應的特征值?σ 為：

然后，有：

計算得到特征向量 Q 和對應的特征值?σ?為：

則我們看可以得到 A 的特征值為：

最后，整合矩陣相乘結(jié)果，滿足奇異值分解公式。

奇異值分解可以寫成以下和的形式：

其中，p1 和 q1 分別為左奇異矩陣和右奇異矩陣的特征向量。

4

如何形象化理解 SVD

奇異值分解到底有什么用呢？如何形象化地理解奇異值？我們一起來看下面的例子。

首先放上男神的照片：

我們對該圖片進行奇異值分解，則該圖片可寫成以下和的形式：

上式中，λ1,?λ2, ... ,?λk 是按照從大到小的順序的。

首先，若我們只保留最大的奇異值 λ1，舍去其它奇異值，即 A=λ1p1q1T，然后作圖：

結(jié)果完全看不清楚，再多加幾個奇異值，取前 5 個最大的奇異值，然后作圖：

現(xiàn)在貌似有點輪廓了，繼續(xù)增加奇異值，取前 10 個最大的奇異值，然后作圖：

又清晰了一些，繼續(xù)將奇異值增加到 20 個，然后作圖：

現(xiàn)在已經(jīng)比較清晰了，繼續(xù)將奇異值增加到 50 個，然后作圖：

可見，取前 50 個最大奇異值來重構(gòu)圖像時，已經(jīng)非常清晰了。我們得到和原圖差別不大的圖像。也就是說，隨著選擇的奇異值的增加，重構(gòu)的圖像越來越接近原圖像。

基于這個原理，奇異值分解可以用來進行圖片壓縮。例如在本例中，原始圖片的維度是 870x870，總共需要保存的像素值是：870x870=756900。若使用 SVD，取前 50 個最大的奇異值即可，則總共需要存儲的元素個數(shù)為：

(870+1+870)x50=87050

顯然，所需存儲量大大減小了。在需要存儲許多高清圖片，而存儲空間有限的情況下，就可以利用 SVD，保留奇異值最大的若干項，舍去奇異值較小的項即可。

值得一提的是，奇異值從大到小衰減得特別快，在很多情況下，前 10% 甚至 1% 的奇異值的和就占了全部的奇異值之和的 99% 以上了。這對于數(shù)據(jù)壓縮來說是個好事。

SVD 數(shù)據(jù)壓縮的算法圖示如下：

SVD 數(shù)據(jù)壓縮的示例代碼為：

from skimage import io import matplotlib.pyplot as plt from PIL import Imageimg=io.imread('./ng.jpg') m,n = img.shape io.imshow(img) plt.show()P, L, Q = np.linalg.svd(img) tmp = np.diag(L) if m < n:d = np.hstack((tmp,np.zeros((m,n-m)))) else:d = np.vstack((tmp,np.zeros((m-n,n))))# k = 50 img2 = P[:,:50].dot(d[:50,:50]).dot(Q[:50,:]) io.imshow(np.uint8(img2)) plt.show()tmp = np.uint8(img2) im = Image.fromarray(tmp) im.save("out.jpg")

現(xiàn)在，你已經(jīng)完全了解了奇異值分解了吧。是不是挺簡單也挺有意思呢？

參考文獻：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/26306568

https://www.zhihu.com/question/22237507/answer/53804902

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何让奇异值分解(SVD)变得不“奇异”？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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