特徵選擇降維聚類變換集羣變換KL變換模式識別

特徵選擇（三）-K-L變換

各個特徵（各個分量）對分類來說，其重要性當然是不同的。
捨去不重要的分量，這就是降維。

 

聚類變換認爲：重要的分量就是能讓變換後類內距離小的分量。

類內距離小，意味着抱團抱得緊。

 

但是，抱團抱得緊，真的就一定容易分類麼？

如圖1所示，根據聚類變換的原則，我們要留下方差小的分量，把方差大（波動大）的分量丟掉，所以兩個橢圓都要向y軸投影，這樣悲劇了，兩個重疊在一起，根本分不開了。而另一種情況卻可以這麼做，把方差大的分量丟掉，於是向x軸投影，很順利就能分開了。因此，聚類變換並不是每次都能成功的。

圖1

 

摧枯拉朽的K-L變換

K-L變換是理論上“最好”的變換：是均方誤差（MSE，MeanSquare Error）意義下的最佳變換，它在數據壓縮技術中佔有重要地位。

 

聚類變換還有一個問題是，必須一類一類地處理，把每類分別變換，讓它們各自抱團。

K-L變換要把所有的類別放在一起變換，希望通過這個一次性的變換，讓它們分的足夠開。

 

K-L變換認爲：各類抱團緊不一定好區分。目標應該是怎麼樣讓類間距離大，或者讓不同類好區分。因此對應於2種K-L變換。

 

其一：最優描述的K-L變換（沿類間距離大的方向降維）

首先來看個二維二類的例子，如圖2所示。

圖2

如果使用聚類變換，方向是方差最小的方向，因此降維向方向投影，得到2類之間的距離即爲2條綠線之間的距離，但是這並不是相隔最遠的投影方向。將橢圓投影到方向，得到2類之間的距離爲2條紅線之間的距離。這個方向就是用自相關矩陣的統計平均得到的特徵向量

設共有M個類別，各類出現的先驗概率爲

以表示來自第i類的向量。則第i類集羣的自相關矩陣爲：

混合分佈的自相關矩陣R是：

然後求出R的特徵向量和特徵值：

將特徵值降序排列（注意與聚類變換區別）

爲了降到m維，取前m個特徵向量，構成變換矩陣A

以上便完成了最優描述的K-L變換。

 

爲什麼K-L變換是均方誤差（MSE，MeanSquare Error）意義下的最佳變換？

其中表示n維向量y的第j個分量，表示第個特徵分量。

引入的誤差

均方誤差爲

從m+1開始的特徵值都是最小的幾個，所以均方誤差得到最小。

 

以上方法稱爲最優描述的K-L變換，是沿類間距離大的方向降維，從而均方誤差最佳。

本質上說，最優描述的K-L變換扔掉了最不顯著的特徵，然而，顯著的特徵其實並不一定對分類有幫助。我們的目標還是要找出對分類作用大的特徵，而不應該管這些特徵本身的強弱。這就誕生了第2種的K-L變換方法。

 

其二：最優區分的K-L變換（混合白化後抽取特徵）

針對上述問題，最優區分的K-L變換先把混合分佈白化，再來根據特徵值的分離程度進行排序。

 

最優區分的K-L變換步驟

首先還是混合分佈的自相關矩陣R

然後求出R的特徵向量和特徵值：

以上是主軸變換，實際上是座標旋轉，之前已經介紹過。

令變換矩陣

則有

這個作用是白化R矩陣，這一步是座標尺度變換，相當於把橢圓整形成圓，如圖3所示。

 

圖3

以二類混合分佈問題爲例。

分別求出二類的特徵向量和特徵值，有

則二者的特徵向量完全相同，唯一的據別在於其特徵根，而且還負相關，即如果取降序排列時，則以升序排列。

爲了獲得最優區分，要使得兩者的特徵值足夠不同。因此，需要捨棄特徵值接近0.5的那些特徵，而保留使大的那些特徵，按這個原則選出了m個特徵向量記作

則總的最優區分的K-L變換就是：