機器學習 | SVD矩陣分解演演算法，對矩陣做拆分，然後呢？
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今天是機器學習專題第28篇文章，我們來聊聊SVD演演算法。
SVD的英文全稱是Singular Value Decomposition，翻譯過來是奇異值分解。這其實是一種線性代數演演算法，用來對矩陣進行拆分。拆分之後可以提取出關鍵資訊，從而降低原資料的規模。因此廣泛利用在各個領域當中，例如訊號處理、金融領域、統計領域。在機器學習當中也有很多領域用到了這個演演算法，比如推薦系統、搜尋引擎以及資料壓縮等等。
SVD簡介
我們假設原始資料集矩陣D是一個mxn的矩陣，那麼利用SVD演演算法，我們可以將它分解成三個部分：
這三個矩陣當中U是一個m x n的矩陣，
。也就是它乘上它的轉置等於單位對角矩陣。
我們可以看下下圖，從直觀上感知一下這三個矩陣。
下面我們來簡單推導一下SVD的求解過程，看起來很複雜，概念也不少，但是真正求解起來卻並不難。會需要用到矩陣特徵值分解的相關概念，如果不熟悉的同學可以先看下線性代數專題相關內容做個回顧：
首先，如果我們計算
可以得到一個n x n的方陣。對於方陣我們可以對它進行特徵分解，假設得到特徵值是
，特徵向量是
，代入特徵值的性質可以得到：
這樣的特徵值和特徵向量一共會有n個，我們把它所有的特徵向量組合在一起
同理，我們計算
可以得到一個m x m的方陣，我們同樣可以對他進行特徵值分解，得到一個特徵矩陣U。U應該是一個m x m的矩陣，也就是SVD公式中的U，我們可以將它稱為A的左奇異向量。
U和V都有了，我們只剩下還沒求出來了。由於它是一個對角矩陣，除了對角元素全為0，所以我們只需要求出它當中的每一個對角元素，也就是奇異值就可以了，我們假設奇異值是，我們對SVD的式子進行變形：
這個推導當中利用了V是酉矩陣的性質，所以我們乘上了V將它消除，就推導得到了奇異值的公式，矩陣也就不難求了。
整個推導的過程不難，但是有一個問題沒解決，為什麼
這裡也同樣利用了酉矩陣的性質，還有對角矩陣乘法的性質。我們可以看出來，U的確是特徵向量組成的矩陣，同樣也可以證明V。其實如果眼尖一點還可以發現特徵值矩陣等於奇異值矩陣的平方，所以
所以，我們求解矩陣可以不用很麻煩地通過矩陣去計算，而是可以通過的特徵值取平方根來求了。
SVD的用途
我們推導了這麼多公式，那麼這個SVD演演算法究竟有什麼用呢？
看來看去好像看不出什麼用途，因為我們把一個矩陣變成了三個，這三個矩陣的規模也並沒有降低，反而增加了。但是如果去研究一下分解出來的奇異值，會發現奇異值降低的特別快。只要10%甚至是1%的奇異值就佔據了全部奇異值之和的99%以上的比例。
換句話說，我們並不需要完整的SVD分解結果，而是隻需要篩選出其中很少的k個奇異值，和對應的左右奇異向量就可以近似描述原矩陣了。
我們看下下圖，相當於我們從分解出來的矩陣當中篩選一小部分來代替整體，並且保留和整體近似的資訊。
我們把式子寫出來：
這裡的k遠小於n，所以我們可以大大降低SVD分解之後得到的矩陣引數的數量。
也就是說，我們通過SVD分解，將一個m x n的大矩陣，分解成了三個小得多的小矩陣。並且通過這三個小矩陣，我們可以還原出原矩陣大部分的資訊。不知道大家有沒有想到什麼？是了，這個和我們之前介紹的PCA演演算法如出一轍。不僅思路相似，就連計算的過程也重合度非常高，實際上PCA演演算法的求解方法之一就是通過SVD矩陣分解。
SVD與PCA
我們來簡單看看SVD和PCA之間的關聯。
首先複習一下PCA演演算法，我們首先計算出原始資料的協方差矩陣X，再對
進行矩陣分解，找到最大的K個特徵值。然後用這K個特徵值對應的特徵向量組成的矩陣來對原始資料做矩陣變換。
在這個過程當中，我們需要計算，當X的規模很大的時候，這個計算開銷也是很大的。注意到我們在計算SVD中V矩陣的時候，也用到了矩陣的特徵值分解。然而關鍵是一些計算SVD的演演算法可以不先求出協方差矩陣也能得到V，就繞開了這個開銷很大的步驟。
所以目前流行的PCA幾乎都是以SVD為底層機制實現的，比如sklearn庫中的PCA工具就是用的SVD。
程式碼實現
關於SVD演演算法我們並不需要自己實現，因為numpy當中封裝了現成的SVD分解方法。
我們直接呼叫np.linalg.svd介面即能完成矩陣的分解：
這裡的Sigma返回的是一個向量，代替了對角矩陣，節省了儲存開銷。我們可以通過找出最小的K，使得K個奇異值佔據整體奇異值95%以上的和。這裡可以看到，我們選出了5個奇異值就佔據所有奇異值和的99%以上：
總結
我們今天和大家分享了SVD演演算法的原理，以及一種常規的計算方法。SVD和PCA一樣底層都是基於矩陣的線性操作完成的，通過SVD的性質，我們可以對原資料進行壓縮和轉化。基於這一點，衍生出了許多的演演算法和應用場景，其中最經典的要屬推薦系統中的協同過濾了。由於篇幅限制，我們將會在下一篇文章當中和大家分享這一點，實際瞭解一下SVD的應用，加深一下理解。
由於SVD可以實現並行化計算，使得在實際當中它更受歡迎。但SVD也不是萬能的，它一個很大的缺點就是和PCA一樣解釋性很差，我們無法得知某些值或者是某些現象的原因。關於這一點，我們也會在下一篇文章當中加以體現。
今天的文章到這裡就結束了，如果喜歡本文的話，請來一波素質三連，給我一點支援吧（關注、轉發、點贊）。
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