DAY 20 奇异值SVD分解-2025.9.1

奇异值SVD分解

知识点回顾：

1. 线性代数概念回顾
2. 奇异值推导
3. 奇异值的应用
   a. 特征降维：对高维数据减小计算量、可视化
   b. 数据重构：比如重构信号、重构图像（可以实现有损压缩，k 越小压缩率越高，但图像质量损失越大）
   c. 降噪：通常噪声对应较小的奇异值。通过丢弃这些小奇异值并重构矩阵，可以达到一定程度的降噪效果。
   d. 推荐系统：在协同过滤算法中，用户-物品评分矩阵通常是稀疏且高维的。SVD (或其变种如 FunkSVD, SVD++) 可以用来分解这个矩阵，发现潜在因子 (latent factors)，从而预测未评分的项。这里其实属于特征降维的部分。

知识点回顾：

对于任何矩阵（如结构化数据可以变为：样本*特征的矩阵，图像数据天然就是矩阵），均可做等价的奇异值SVD分解，对于分解后的矩阵，可以选取保留前K个奇异值及其对应的奇异向量，重构原始矩阵，可以通过计算Frobenius 范数相对误差来衡量原始矩阵和重构矩阵的差异。

应用：结构化数据中，将原来的m个特征降维成k个新的特征，新特征是原始特征的线性组合，捕捉了数据的主要方差信息，降维后的数据可以直接用于机器学习模型（如分类、回归），通常能提高计算效率并减少过拟合风险。

ps：在进行 SVD 之前，通常需要对数据进行标准化（均值为 0，方差为 1），以避免某些特征的量纲差异对降维结果的影响。

作业：尝试利用svd来处理心脏病预测，看下精度变化

笔记：

奇异值分解（Singular Value Decomposition, SVD）是线性代数中极具影响力的工具，其核心价值在于能处理任意形状的矩阵，同时在高维数据处理场景中发挥关键作用。以下将从线性代数基础回顾切入，逐步推导奇异值的数学逻辑，最终结合实际场景解析应用，形成完整的知识闭环。

一、线性代数概念回顾（SVD 的数学基础）

SVD 的推导依赖线性代数中 “矩阵变换”“特征值与特征向量” 等核心概念，需先明确以下基础：

1. 矩阵的几何意义：线性变换

任意一个 m×n 矩阵 A，本质是一种从 n 维空间到 m 维空间的线性变换，其作用包括：

• 拉伸 / 压缩：沿某个方向放大或缩小向量长度；
• 旋转：改变向量的方向（仅当矩阵为方阵且行列式非负时可能发生）；
• 投影：将高维向量映射到低维子空间（如 3 维向量投影到 2 维平面）。

例如，2×2 矩阵A = [[2,0],[0,1]]表示：将 x 轴方向的向量拉伸 2 倍，y 轴方向的向量保持不变。

2. 特征值与特征向量（仅针对方阵）

对于 n×n 方阵A，若存在非零向量 v 和 scalar（标量）λ，满足 Av = λv，则：

• v 称为 A 的特征向量：表示矩阵 A 对该向量仅产生 “拉伸 / 压缩”，不改变方向（或反向）；
• λ 称为 A 的特征值：表示拉伸 / 压缩的比例（λ>1 拉伸，0<λ<1 压缩，λ<0 反向拉伸）。

关键性质：
若方阵 A 是实对称矩阵（满足 A^T = A，A^T 为 A 的转置），则其特征向量两两正交，且可构成 n 维空间的标准正交基（向量长度为 1，两两内积为 0）。这一性质是 SVD 推导的核心前提。

3. 正交矩阵与标准正交基

若矩阵 U 满足 U^T U = I（I 为单位矩阵），则 U 为正交矩阵，其列向量构成标准正交基。
正交矩阵的核心作用：对向量做 “旋转 / 反射” 变换时，不改变向量的长度和夹角（例如，将直角坐标系旋转后，坐标轴仍垂直，向量长度不变）。

二、奇异值的推导（从数学逻辑到公式）

SVD 的目标是：将任意m×n 矩阵 A 分解为 3 个具有明确几何意义的矩阵乘积，即 A = UΣV^T，其中：

U：m×m 正交矩阵（列向量为 A 的 “左奇异向量”）；
Σ：m×n 对角矩阵（对角线上的非负元素为 A 的 “奇异值”，且从大到小排列）；
V^T：n×n 正交矩阵的转置（行向量为 A 的 “右奇异向量”）。

以下分 3 步推导，避开复杂证明，聚焦逻辑链：

步骤 1：构造实对称矩阵，利用特征值性质

由于 A 是 m×n 矩阵，其转置 A^T 是 n×m 矩阵，因此：

• A^T A 是 n×n 实对称矩阵（满足 (A^T A)^T = A^T (A^T)^T = A^T A）；
• A A^T 是 m×m 实对称矩阵（同理满足 (A A^T)^T = A A^T）。

根据实对称矩阵的性质：A^T A 和 A A^T 的特征值均为非负数，且两者有相同的非零特征值（设为 λ₁ ≥ λ₂ ≥... ≥ λ_k > 0，k ≤ min(m,n)）。

步骤 2：定义奇异值与奇异向量

1. 奇异值：将 A^T A（或 A A^T）的非零特征值开平方，得到 A 的奇异值，即 σ_i = √λ_i（i=1,2,...,k），且满足 σ₁ ≥ σ₂ ≥... ≥ σ_k > 0；
   对角矩阵 Σ 中，前 k 个对角元素为 σ₁, σ₂,..., σ_k，其余元素为 0。
2. 右奇异向量（V 的列向量）：
   取 A^T A 的特征向量，按特征值从大到小排列，构成 n×n 正交矩阵 V，其列向量即为 A 的右奇异向量。
3. 左奇异向量（U 的列向量）：
   对每个非零奇异值σ_i，定义 u_i = (A v_i) / σ_i（v_i 是 A^T A 的第 i 个特征向量），则 u_i 是 A A^T 的第 i 个特征向量；
   将 u₁, u₂,..., u_k 补充正交向量（若 m > k），构成 m×m 正交矩阵 U，其列向量即为 A 的左奇异向量。

步骤 3：验证分解式 A = UΣV^T

将 V 的列向量 v₁,..., vₙ 视为 n 维空间的标准正交基，对任意 n 维向量 x，可表示为 x = c₁v₁ +... + cₙvₙ（c_i 为系数）。
矩阵 A 对 x 的变换为：
A x = c₁A v₁ +... + cₙA vₙ
由左奇异向量定义 A v_i = σ_i u_i（i≤k），且 i>k 时 σ_i=0，因此：
A x = c₁σ₁ u₁ +... + c_kσ_k u_k
这意味着：A 将 n 维空间的基 v₁,..., vₙ，通过 “拉伸（σ_i 倍）+ 映射到 m 维空间的基 u₁,..., u_k” 实现线性变换，与 A = UΣV^T 的矩阵乘法逻辑完全一致。

三、奇异值的应用（从理论到实际场景）

SVD 的所有应用均基于一个核心规律：前 k 个最大的奇异值（σ₁,..., σ_k）包含了矩阵 A 的绝大部分信息，后面的小奇异值往往对应冗余、噪声或次要细节。通过保留前 k 个奇异值，可在 “效果” 与 “成本”（计算量、存储量）间找到最优平衡。

a. 特征降维：解决 “维度灾难”

核心问题
高维数据（如 1000 维的用户行为数据、10000 维的图像像素数据）会带来两大挑战：

• 计算成本高：例如计算两个 10000 维向量的距离，需遍历 10000 个元素；
• 可视化困难：人类仅能感知 2/3 维空间，高维数据无法直接观察规律。

SVD 降维逻辑
对 m×n 数据矩阵 A（m 个样本，n 个特征）做 SVD 分解 A = UΣV^T，取前 k 个奇异值对应的：

• V 的前 k 列（V_k，n×k 矩阵）；
• 降维后的数据矩阵为 A_k = A V_k = U_k Σ_k（m×k 矩阵，k 远小于 n）。

典型场景

• 高维数据可视化：将 1000 维的商品特征数据降到 2 维，用散点图聚类（如 “高端家电”“平价日用品” 两类商品明显分离）；
• 加速机器学习：对文本的 TF-IDF 矩阵（m×n，m 为文档数，n 为词汇数）降维后，再输入 SVM、KNN 等算法，计算时间可减少 90% 以上。

b. 数据重构：实现 “有损压缩”

核心逻辑
数据重构是降维的逆过程：用降维时保留的 U_k（m×k）、Σ_k（k×k）、V_k^T（k×n），重构近似原矩阵 A_hat = U_k Σ_k V_k^T。
重构的关键权衡：

• k越小：保留的奇异值越少 → 压缩率越高（如图片文件体积缩小）→ 质量损失越大（如图片模糊）；
• k越大：越接近原矩阵 → 质量越好 → 压缩率越低。

典型场景

• 图像压缩：一张 1024×1024 的灰度图（矩阵 1024×1024），取前 50 个奇异值重构，文件体积仅为原大小的 (1024×50 + 50 + 1024×50)/(1024×1024) ≈ 10%，但肉眼几乎看不出模糊；若取前 10 个奇异值，压缩率达 98%，但图像细节明显丢失；
• 信号压缩：语音信号、传感器时序信号（如温度监测数据），通过 SVD 丢弃小奇异值后，可在保证可辨识度的前提下，减少数据传输量。

c. 降噪：过滤 “无规律噪声”

核心观察
数据中的噪声（如图片的斑点、信号的杂波）通常是 “无规律的小波动”，对应的奇异值极小；而数据的核心信息（如图片主体、信号趋势）对应大奇异值。

降噪步骤

1. 对含噪声的矩阵 A_noise 做 SVD 分解，得到所有奇异值 σ₁ ≥ σ₂ ≥... ≥ σ_k；
2. 设定阈值 t（如取 t = 0.1σ₁），丢弃所有σ_i < t的奇异值；
3. 用保留的大奇异值重构矩阵 A_clean = U_k Σ_k V_k^T，即得到降噪后的数据。

典型场景

• 图像降噪：老照片的划痕、低光照拍摄的噪点，通过 SVD 降噪后，画面清晰度显著提升；
• 传感器数据降噪：温度传感器采集的数据含随机波动（噪声），丢弃小奇异值后，可清晰看到 “白天升温、夜间降温” 的趋势。

d. 推荐系统：挖掘 “潜在因子”

核心问题
用户 - 物品评分矩阵 A（m×n，m 为用户数，n 为物品数）是 “稀疏高维” 的 ——90% 以上的元素为空白（用户未评分），无法直接用传统方法预测空白评分。

SVD 推荐逻辑
通过 SVD（或适用于稀疏矩阵的变种，如 FunkSVD、SVD++）分解评分矩阵，发现潜在因子（Latent Factors）：

• U 的行向量：用户的偏好因子（如 “喜欢科幻电影、讨厌言情电影”）；
• V 的列向量：物品的属性因子（如 “科幻电影、言情电影”）；
• 空白评分预测：用户 i 对物品 j 的评分 ≈ U_i Σ V_j^T（即用户偏好与物品属性的匹配度）。

本质关联
该应用本质是 “特征降维” 的延伸：将高维的 “用户 - 物品” 维度，降到低维的 “潜在因子” 维度（如 50 个因子），从而解决稀疏性问题。

四、总结：SVD 的核心价值

SVD 的所有应用均围绕 “抓住主要矛盾” 展开 —— 用少数大奇异值（核心信息）替代大量小奇异值（冗余 / 噪声），在 “效果” 与 “成本” 间找到最优解。其之所以成为数据科学、机器学习的核心工具，正是因为它能以简洁的数学形式，解决高维数据处理的共性问题（降维、压缩、降噪、稀疏性），且兼具理论严谨性与工程实用性。

五、矩阵降维案例

import numpy as np# 创建一个矩阵 A (5x3)
A = np.array([[1, 2, 3],[4, 5, 6],[7, 8, 9],[10, 11, 12],[13, 14, 15]])
print("原始矩阵 A:")
print(A)# 进行 SVD 分解
U, sigma, Vt = np.linalg.svd(A, full_matrices=False)
print("\n奇异值 sigma:")
print(sigma)# 保留前 k=1 个奇异值进行降维
k = 1
U_k = U[:, :k]  # 取 U 的前 k 列，因为要保持行数不变
sigma_k = sigma[:k]  # 取前 k 个奇异值
Vt_k = Vt[:k, :]  # 取 Vt 的前 k 行，因为要保持列数不变# 近似重构矩阵 A,常用于信号or图像筛除噪声
A_approx = U_k @ np.diag(sigma_k) @ Vt_k
print("\n保留前", k, "个奇异值后的近似矩阵 A_approx:")
print(A_approx)# 计算近似误差
error = np.linalg.norm(A - A_approx, 'fro') / np.linalg.norm(A, 'fro')
print("\n近似误差 (Frobenius 范数相对误差):", error)

原始矩阵 A:
[[ 1  2  3][ 4  5  6][ 7  8  9][10 11 12][13 14 15]]奇异值 sigma:
[3.51826483e+01 1.47690770e+00 9.86023090e-16]保留前 1 个奇异值后的近似矩阵 A_approx:
[[ 1.85152908  2.05208851  2.25264793][ 4.5411984   5.03310541  5.52501242][ 7.23086771  8.01412231  8.7973769 ][ 9.92053702 10.99513921 12.06974139][12.61020633 13.9761561  15.34210588]]近似误差 (Frobenius 范数相对误差): 0.04194136031471535

作业

import numpy as np #计算
import pandas as pd # 数据处理
from sklearn.model_selection import train_test_split #划分训练集&测试集
from sklearn.linear_model import LogisticRegression # 模型
from sklearn.metrics import accuracy_score # 准确度data = pd.read_csv('heart.csv')# 设置随机种子以便结果可重复
np.random.seed(42)# 区分标签和特征
X = data.drop('target',axis=1)
y = data['target']# 做标准化处理
from sklearn.preprocessing import StandardScalerscaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)
X_scaled = scaler.transform(X)# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_scaled, y, test_size=0.2, random_state=42)
print(f"训练集形状: {X_train.shape}")
print(f"测试集形状: {X_test.shape}")# 对训练集进行 SVD 分解
U_train, sigma_train, Vt_train = np.linalg.svd(X_train, full_matrices=False)
print(f"Vt_train 矩阵形状: {Vt_train.shape}")# 选择保留的奇异值数量 k
k = 6
Vt_k = Vt_train[:k, :]  # 保留前 k 行
print(f"保留 k={k} 后的 Vt_k 矩阵形状: {Vt_k.shape}")# 降维训练集：X_train_reduced = X_train @ Vt_k.T
X_train_reduced = X_train @ Vt_k.T
print(f"降维后训练集形状: {X_train_reduced.shape}")# 使用相同的 Vt_k 对测试集进行降维：X_test_reduced = X_test @ Vt_k.T
X_test_reduced = X_test @ Vt_k.T
print(f"降维后测试集形状: {X_test_reduced.shape}")# 训练模型（以逻辑回归为例）
model = LogisticRegression(random_state=42)
model.fit(X_train_reduced, y_train)# 预测并评估
y_pred = model.predict(X_test_reduced)
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print(f"测试集准确率: {accuracy:.4f}")# 计算训练集的近似误差（可选，仅用于评估降维效果）
X_train_approx = U_train[:, :k] @ np.diag(sigma_train[:k]) @ Vt_k
error = np.linalg.norm(X_train - X_train_approx, 'fro') / np.linalg.norm(X_train, 'fro')
print(f"训练集近似误差 (Frobenius 范数相对误差): {error:.4f}")

训练集形状: (242, 13)
测试集形状: (61, 13)
Vt_train 矩阵形状: (13, 13)
保留 k=6 后的 Vt_k 矩阵形状: (6, 13)
降维后训练集形状: (242, 6)
降维后测试集形状: (61, 6)
测试集准确率: 0.8852
训练集近似误差 (Frobenius 范数相对误差): 0.5709

@浙大疏锦行