巧用Matlab进行主成分降维

巧用Matlab实现主成分分析 1.概述 Matlab语言是当今国际上科学界 (特别是自动控制领域) 最具影响力、也是最有活力的软件。它来源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、与其她程序和语言的便捷接口的功能。Matlab 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。主成分分析是把本来多种变量划为少数几种综合指标的一种记录分析措施，从数学角度来看，这是一种降维解决技术。 1.1主成分分析计算环节PCA 计算有关系数矩阵 （1）在（3.5.3）式中，rij（i，j=1，2，p）为原变量的xi与xj之间的有关系数，其计算公式为 （2）由于R是实对称矩阵（即rij=rji），因此只需计算上三角元素或下三角元素即可。 计算特性值与特性向量一方面解特性方程，一般用雅可比法（Jacobi）求出特性值，并使其按大小顺序排列，即；然后分别求出相应于特性值的特性向量。这里规定=1，即，其中表达向量的第j个分量。 计算主成分奉献率及合计奉献率主成分的奉献率为合计奉献率为一般取合计奉献率达8595%的特性值所相应的第一、第二，第m（mp）个主成分。 计算主成分载荷其计算公式为 （3）得到各主成分的载荷后来，还可以按照（3.5.2）式进一步计算，得到各主成分的得分 （4）2.程序构造及函数作用在软件Matlab中实现主成分分析可以采用两种方式实现：一是通过编程来实现；二是直接调用Matlab种自带程序实现。下面重要重要简介运用Matlab的矩阵计算功能编程实现主成分分析。2.1程序构造Cwprint.m 主函数 子函数 Cwfac.mCwscore.mCwstd.m2.2函数作用Cwstd.m用总和原则化法原则化矩阵Cwfac.m计算有关系数矩阵；计算特性值和特性向量；对主成分进行排序；计算各特性值奉献率；挑选主成分（合计奉献率不小于85%），输出主成分个数；计算主成分载荷Cwscore.m计算各主成分得分、综合得分并排序Cwprint.m读入数据文献；调用以上三个函数并输出成果读者注意，在做主成分分析时一定要看清原理，两个重点，一种是选用85%，一种是matalab严格辨别大小写。这是编者读完网上代码后改写的对的代码。3.源程序3.1 cwstd.m%cwstd.m,用总和原则化法原则化矩阵function std=cwstd(vector)cwsum=sum(vector,1); %对列求和a,b=size(vector); %矩阵大小,a为行数,b为列数for i=1:a for j=1:b std(i,j)= vector(i,j)/cwsum(j); endend3.2 cwfac.m%cwfac.mfunction result=cwfac(vector);fprintf(有关系数矩阵:n)std=corrcoef(vector) %计算有关系数矩阵/fprintf(特性向量(vec)及特性值(val)：n)vec,val=eig(std) %求特性值(val)及特性向量(vec)newval=diag(val) ;y,i=sort(newval) ; %对特性根进行排序，y为排序成果，i为索引fprintf(特性根排序：n)for z=1:length(y) newy(z)=y(length(y)+1-z);endfprintf(%gn,newy)rate=y/sum(y);fprintf(n奉献率：n)newrate=newy/sum(newy)sumrate=0;newi=;for k=length(y):-1:1 sumrate=sumrate+rate(k); newi(length(y)+1-k)=i(k); if sumrate0.85 break; end end %记下累积奉献率大85%的特性值的序号放入newi中fprintf(主成分数：%gnn,length(newi);fprintf(主成分载荷：n)for p=1:length(newi) for q=1:length(y) result(q,p)=sqrt(newval(newi(p)*vec(q,newi(p); endend %计算载荷disp(result)3.3 cwscore.m%cwscore.m,计算得分function score=cwscore(vector1,vector2);sco=vector1*vector2;csum=sum(sco,2);newcsum,i=sort(-1*csum);newi,j=sort(i);fprintf(计算得分：n)score=sco,csum,j %得分矩阵：sco为各主成分得分；csum为综合得分；j为排序成果 3.4 cwprint.m%cwprint.mfunction print=cwprint(filename,a,b); %filename为文本文献文献名，a为矩阵行数(样本数)，b为矩阵列数(变量指标数)fid=fopen(filename,r)vector=fscanf(fid,%g,a b);fprintf(原则化成果如下：n)v1=cwstd(vector)result=cwfac(v1);cwscore(v1,result);4.程序测试4.1原始数据中国大陆35个大都市某年的10项社会经济记录指标数据见下表。城 市名 称年终总人口(万人) 非农业人口比(%) 农 业总产值(万元)工业总产值(万元)客运总量(万人)货运总量(万吨)地方财政预算内收入(万元)城乡居民年终储蓄余额(万元)在岗职工人数(万人)在岗职工工资总额(万元)北 京1 249.900.597 81 843 42719 999 70620 32345 5622 790 86326 806 646410.805 773 301天 津910.170.580 91 501 13622 645 5023 25926 3171 128 07311 301 931202.682 254 343石 家 庄875.400.233 22 918 6806 885 7682 9291 911352 3487 095 87595.60758 877太 原299.920.656 3236 0382 737 7501 93711 895203 2773 943 10088.65654 023呼和浩特207.780.441 2365 343816 4522 3512 623105 7831 396 58842.11309 337沈 阳677.080.629 91 295 4185 826 7337 78215 412567 9199 016 998135.451 152 811大 连545.310.494 61 879 7398 426 38510 78019 187709 2277 556 79694.15965 922长 春691.230.406 81 853 2105 966 3434 8109 532357 0964 803 744102.63884 447哈 尔 滨927.090.462 72 663 8554 186 1236 7207 520481 4436 450 020172.791 309 151上 海1 313.120.738 42 069 01954 529 0986 40644 4854 318 50025 971 200336.845 605 445南 京537.440.534 1989 19913 072 73714 26911 193664 2995 680 472113.811 357 861杭 州616.050.355 61 414 73712 000 79617 88311 684449 5937 425 96796.901 180 947宁 波538.410.254 71 428 23510 622 86622 21510 298501 7235 246 35062.15824 034合 肥429.950.318 4628 7642 514 1254 8931 517233 6281 622 93147.27369 577福 州583.130.273 32 152 2886 555 3518 8517 190467 5245 030 22069.59680 607厦 门128.990.486 5333 3745 751 1243 7282 570418 7582 108 33146.93657 484南 昌424.200.398 8688 2892 305 8813 6743 189167 7142 640 46062.08479 ,555济 南557.630.408 51 486 3026 285 8825 91511 775460 6904 126 97083.31756 696青 岛702.970.369 32 382 32011 492 03613 40817 038658 4354 978 045103.52961 704郑 州615.360.342 4677 4255 287 60110 4336 768387 2525 135 33884.66696 848武 汉740.200.586 91 211 2917 506 0859 79315 442604 6585 748 055149.201 314 766长 沙582.470.310 71 146 3673 098 1798 7065 718323 6603 461 24469.57596 986广 州685.000.621 41 600 73823 348 13922 00723 8541 761 49920 401 811182.813 047 594深 圳119.850.793 1299 66220 368 2958 7544 2741 847 9089 519 90091.261 890 338南 宁285.870.406 4720 4861 149 6915 1303 293149 7002 190 91845.09371 809海 口54.380.835 444 815717 4615 3452 356115 1741 626 80019.01198 138重 庆3 072.340.206 74 168 7808 585 52552 44125 124898,9129 090 969223.731 606 804成 都1 003.560.3351 935 5905 894 28940 14019 632561 1897 479 684132.891 200 671贵 阳321.500.455 7362 0612 247 93415 7034 143197 9081 787 74855.28419 681昆 明473.390.386 5793 3563 605 7295 60412 042524 2164 127 90088.11842 321西 安674.500.409 4739 9053 665 94210 3119 766408 8965 863 980114.01885 169兰 州287.590.544 5259 4442 940 8841 8324 749169 5402 641 56865.83550 890西 宁133.950.522 765 848711 3101 7461 46949 134855 05127.21219 251银 川95.380.570 9171 603661 2262 1061 19374 758814 10323.72178 621乌鲁木齐158.920.824 478 5131 847 2412 6689 041254 8702 365 50855.27517 6224.2运营成果 cwprint(cwbook.txt,35,10)fid =6数据原则化成果如下：v1 =0.0581 0.0356 0.0435 0.0680 0.0557 0.1112 0.1194 0.1184 0.1083 0.13920.0423 0.0346 0.0354 0.0770 0.0089 0.0642 0.0483 0.0499 0.0534 0.05440.0407 0.0139 0.0688 0.0234 0.0080 0.0047 0.0151 0.0314 0.0252 0.01830.0139 0.0391 0.0056 0.0093 0.0053 0.0290 0.0087 0.0174 0.0234 0.01580.0097 0.0263 0.0086 0.0028 0.0064 0.0064 0.0045 0.0062 0.0111 0.00750.0315 0.0375 0.0305 0.0198 0.0213 0.0376 0.0243 0.0398 0.0357 0.02780.0253 0.0295 0.0443 0.0286 0.0295 0.0468 0.0304 0.0334 0.0248 0.02330.0321 0.0242 0.0437 0.0203 0.0132 0.0233 0.0153 0.0212 0.0270 0.02130.0431 0.0276 0.0628 0.0142 0.0184 0.0184 0.0206 0.0285 0.0455 0.03160.0610 0.0440 0.0488 0.1853 0.0176 0.1086 0.1848 0.1148 0.0888 0.13520.0250 0.0318 0.0233 0.0444 0.0391 0.0273 0.0284 0.0251 0.0300 0.03270.0286 0.0212 0.0334 0.0408 0.0490 0.0285 0.0192 0.0328 0.0255 0.02850.0250 0.0152 0.0337 0.0361 0.0609 0.0251 0.0215 0.0232 0.0164 0.01990.0200 0.0190 0.0148 0.0085 0.0134 0.0037 0.0100 0.0072 0.0125 0.00890.0271 0.0163 0.0508 0.0223 0.0243 0.0175 0.0200 0.0222 0.0183 0.01640.0060 0.0290 0.0079 0.0195 0.0102 0.0063 0.0179 0.0093 0.0124 0.01590.0197 0.0237 0.0162 0.0078 0.0101 0.0078 0.0072 0.0117 0.0164 0.01160.0259 0.0243 0.0350 0.0214 0.0162 0.0287 0.0197 0.0182 0.0220 0.01820.0327 0.0220 0.0562 0.0391 0.0367 0.0416 0.0282 0.0220 0.0273 0.02320.0286 0.0204 0.0160 0.0180 0.0286 0.0165 0.0166 0.0227 0.0223 0.01680.0344 0.0349 0.0286 0.0255 0.0268 0.0377 0.0259 0.0254 0.0393 0.03170.0271 0.0185 0.0270 0.0105 0.0239 0.0140 0.0139 0.0153 0.0183 0.01440.0318 0.0370 0.0377 0.0793 0.0603 0.0582 0.0754 0.0901 0.0482 0.07350.0056 0.0472 0.0071 0.0692 0.0240 0.0104 0.0791 0.0421 0.0240 0.04560.0133 0.0242 0.0170 0.0039 0.0141 0.0080 0.0064 0.0097 0.0119 0.00900.0025 0.0497 0.0011 0.0024 0.0146 0.0057 0.0049 0.0072 0.0050 0.00480.1428 0.0123 0.0983 0.0292 0.1437 0.0613 0.0385 0.0402 0.0590 0.03870.0466 0.0199 0.0456 0.0200 0.1100 0.0479 0.0240 0.0331 0.0350 0.02900.0149 0.0271 0.0085 0.0076 0.0430 0.0101 0.0085 0.0079 0.0146 0.01010.0220 0.0230 0.0187 0.0123 0.0154 0.0294 0.0224 0.0182 0.0232 0.02030.0313 0.0244 0.0174 0.0125 0.0283 0.0238 0.0175 0.0259 0.0300 0.0213 0.0134 0.0324 0.0061 0.0100 0.0050 0.0116 0.0073 0.0117 0.0173 0.01330.0062 0.0311 0.0016 0.0024 0.0048 0.0036 0.0021 0.0038 0.0072 0.00530.0044 0.0340 0.0040 0.0022 0.0058 0.0029 0.0032 0.0036 0.0063 0.00430.0074 0.0491 0.0019 0.0063 0.0073 0.0221 0.0109 0.0105 0.0146 0.0125有关系数矩阵:std =1.0000 -0.3444 0.8425 0.3603 0.7390 0.6215 0.4039 0.4967 0.6761 0.4689-0.3444 1.0000 -0.4750 0.3096 -0.3539 0.1971 0.3571 0.2600 0.1570 0.30900.8425 -0.4750 1.0000 0.3358 0.5891 0.5056 0.3236 0.4456 0.5575 0.37420.3603 0.3096 0.3358 1.0000 0.1507 0.7664 0.9412 0.8480 0.7320 0.86140.7390 -0.3539 0.5891 0.1507 1.0000 0.4294 0.1971 0.3182 0.3893 0.25950.6215 0.1971 0.5056 0.7664 0.4294 1.0000 0.8316 0.8966 0.9302 0.90270.4039 0.3571 0.3236 0.9412 0.1971 0.8316 1.0000 0.9233 0.8376 0.95270.4967 0.2600 0.4456 0.8480 0.3182 0.8966 0.9233 1.0000 0.9201 0.97310.6761 0.1570 0.5575 0.7320 0.3893 0.9302 0.8376 0.9201 1.0000 0.93960.4689 0.3090 0.3742 0.8614 0.2595 0.9027 0.9527 0.9731 0.9396 1.0000特性向量(vec)：vec =-0.1367 0.2282 -0.2628 0.1939 0.6371 -0.2163 0.3176 -0.1312 -0.4191 0.2758-0.0329 -0.0217 0.0009 0.0446 -0.1447 -0.4437 0.4058 -0.5562 0.5487 0.0593-0.0522 -0.0280 0.2040 -0.0492 -0.5472 -0.4225 0.3440 0.3188 -0.4438 0.2401 0.0067 -0.4176 -0.2856 -0.2389 0.1926 -0.4915 -0.4189 0.2726 0.2065 0.3403 0.0404 0.1408 0.0896 0.0380 -0.1969 -0.0437 -0.4888 -0.6789 -0.4405 0.1861-0.0343 0.2360 0.0640 -0.8294 0.0377 0.2662 0.1356 -0.1290 0.0278 0.37820.2981 0.4739 0.5685 0.2358 0.1465 -0.1502 -0.2631 0.1245 0.2152 0.36440.1567 0.3464 -0.6485 0.2489 -0.4043 0.2058 -0.0704 0.0462 0.1214 0.38120.4879 -0.5707 0.1217 0.1761 0.0987 0.3550 0.3280 -0.0139 0.0071 0.3832-0.7894 -0.1628 0.1925 0.2510 -0.0422 0.2694 0.0396 0.0456 0.1668 0.3799特性值(val)val =0.0039 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0.0240 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0.0307 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0991 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1232 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2566 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0.3207 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0.5300 0 00 0 0 0 0 0 0 0 2.3514 00 0 0 0 0 0 0 0 0 6.2602特性根排序：6.260222.351380.5300470.3206990.2566390.1232410.09909150.03070880.02403550.00393387各主成分奉献率：newrate =0.6260 0.2351 0.0530 0.0321 0.0257 0.0123 0.0099 0.0031 0.0024 0.0004第一、二主成分的载荷： 0.690 1 -0.6427 0.148 3 0.8414 0.600 7 -0.6805 0.851 5 0.3167 0.465 6 -0.6754 0.946 3 0.0426 0.911 7 0.3299 0.953 7 0.1862 0.958 9 0.0109 0.950 6 0.2558第一、二、三、四主成分的得分：score = 0.718 5 0.049 9 0.768 4 2.0000 0.380 6 0.038 6 0.419 2 4.0000 0.184 8 -0.043 3 0.141 4 21.0000 0.118 6 0.031 1 0.149 7 20.0000 0.054 9 0.011 5 0.066 4 33.0000 0.228 8 0.007 0 0.235 8 7.000 0 0.2364 -0.0081 0.2283 10.0000 0.1778 -0.0167 0.1611 16.0000 0.2292 -0.0337 0.1955 14.0000 0.8382 0.1339 0.9721 1.0000 0.2276 0.0064 0.2340 8.0000 0.2279 -0.0222 0.2056 12.0000 0.1989 -0.0382 0.1607 18.0000 0.0789 -0.0061 0.0728 32.0000 0.1711 -0.0317 0.1394 23.0000 0.0926 0.0266 0.1192 25.0000 0.0900 -0.0000 0.0899 28.0000 0.1692 -0.0082 0.1610 17.0000 0.2441 -0.0318 0.2124 11.0000 0.1507 -0.0108 0.1399 22.0000 0.2316 0.0012 0.2328 9.0000 0.1294 -0.0211 0.1083 27.0000 0.4716 0.0328 0.5045 3.0000 0.2737 0.0834 0.3570 5.0000 0.0754 -0.0013 0.0741 31.0000 0.0448 0.0349 0.0797 30.0000 0.4759 -0.2028 0.2731 6.0000 0.2907 -0.0883 0.2024 13.0000 0.0944 -0.0118 0.0826 29.0000 0.1546 0.0035 0.1581 19.0000 0.1718 -0.0092 0.1626 15.0000 0.0865 0.0230 0.1095 26.0000 0.0349 0.0216 0.0566 35.0000 0.0343 0.0228 0.0572 34.0000 0.0889 0.0422 0.1310 24.0000