【周末AI课堂】非线性降维方法（代码篇）| 机器学习你会遇到的“坑”

AI课堂开讲，就差你了！

很多人说，看了再多的文章，可是没有人手把手地教授，还是很难真正地入门AI。为了将AI知识体系以最简单的方式呈现给你，从这个星期开始，芯君邀请AI专业人士开设“周末学习课堂”——每周就AI学习中的一个重点问题进行深度分析，课程会分为理论篇和代码篇，理论与实操，一个都不能少！

来，退出让你废寝忘食的游戏页面，取消只有胡吃海塞的周末聚会吧。未来你与同龄人的差异，也许就从每周末的这堂AI课开启了！

读芯术读者交流群，请加小编微信号：zhizhizhuji。等你。后台回复“周末AI课堂”，查阅相关源代码。

全文共2202字，预计学习时长6分钟

---

收收心，上课时间到啦。

我们在上周的《线性降维方法（代码篇）》中对IRIS数据和WINE数据利用了PCA和LDA这两种线性降维方法，似乎取得了一定的效果，一方面体现在低维空间不同类的样本分的足够开，另一方面体现在经过降维后，分类器的表现更好了。

而非线性降维的一个重要前提就是，数据的分布本身就不是高维的，而是一个嵌在高维空间的低维流形，而这样的低维我们可能只需要将其展开，而不需要将其变换。比如，地球表面近似为一个球面，球面上的我们对球面的感受不会是三维的，而是二维的，但却不得不用三维的语言去描述它而已。如果我们想研究它的内在结构，可能只需要将其展开为二维。我们将其展开的过程，就是降维。

我们在IRIS和WINE的数据里很难发现这样的结构，一方面因为实际数据中完美的流形并不存在，另一方面因为，我们最多只能在三维空间可视化，而特征数一旦巨大，我们通过特征的组合去观察每一个三维空间的数据结构，将是不可能的任务。

但我们可以通过非线性降维的方法，来逆推整个结构，如果我们的非线性降维取得了比线性降维的更好的效果，那么很可能本身的数据就是一个低维流形。

我们可以构造一个简单的样例数据，来可视化一个二维流形：

import matplotlib.pyplot as plt

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from sklearn import  datasets

X, c = datasets.samples_generator.make_s_curve(1000, random_state=2018)

ax = Axes3D(plt.figure())
ax.scatter(X[:,0],X[:,1],X[:,2],c=c，cmap=plt.cm.hsv)
plt.title('Sample')
plt.show()

从这个角度看，平平无奇，但我们换个角度来看它：

对于这样一个S形，其实就是嵌在三维空间的二维流形，我们如果要从三维降到二维，非线性降维只是将其展开，会尽可能保持流形的内在结构，而数据分布本身近似为流形，内在结构就非常重要。

以PCA和ISOMAP为例，我们分别对样例数据做降维：

from sklearn.decomposition import PCA

X_PCA=PCA(2).fit(X).transform(X)

from sklearn.manifold import Isomap

X_ISO=Isomap(10,2).fit(X).transform(X)

PCA的降维结果是一个S形，其实近似于一个嵌在二维空间的一维流形。很多初学者或者不理解降维的意义的同学，反而会以为PCA处理之后，样例数据保持了S形，就是一个好的处理。

其实呢，这样的看法是错误的。因为对于这样一个三维空间的二维流形，因为流形本身就是二维的，我们只需要将其“展开”和“铺平”，这样才最大程度上保留了信息，PCA这种线性的降维方式只是选取了一个投影空间，大量的样本在低维空间没有得到表达。

举个不太恰当的例子，如果我们把国家作为我们的数据点，那么这些数据点就分布地球表面，也就是一个嵌在三维空间的二维流形上。如果我们为球面寻找一个低维空间，PCA会把球面映射到一个圆（损失大量信息），而ISOMAP会映射成一张世界地图。（事实上，要想达到这一效果，对地球表面的数据分布做更多的假设，但道理相同）

我们可以换另外一组数据来取得相似的效果：

n_points = 1000

X, color = datasets.samples_generator.make_swiss_roll(n_points, 
random_state=2018)
X_PCA=PCA(2).fit(X).transform(X)
X_ISO=Isomap(10,2).fit(X).transform(X)

ax = Axes3D(plt.figure())
ax.scatter(X[:,0],X[:,1],X[:,2],\
c=color,cmap=plt.cm.hsv)
ax.set_title('Sample')

bx=plt.figure()
plt.scatter(X_PCA[:,0],X_PCA[:,1],c=color,cmap=plt.cm.hsv)
plt.title('PCA of Swiss Roll')

cx=plt.figure()
plt.scatter(X_ISO[:,0],X_ISO[:,1],c=color,cmap=plt.cm.hsv)
plt.title('ISOMAP of Swiss Roll')
plt.show()

我们尝试用更多的方法如MDS和LLE（locally linear embedding，局部线性嵌入），对swiss roll数据进行降维：

值得注意的是，MDS（多维缩放）本质上还是一个线性算法，虽然它的初衷是在低维空间保持高维空间的距离，但仍然把欧几里得距离作为度量，所以从图中来看，MDS的效果几乎与PCA的一致。而LLE是利用了流形的局部等价于欧氏空间，每一个点都可以被周围的点进行线性表示（这也是线性空间的性质），降到低维空间后，要保持拟合系数的不变。

接下来，我们把非线性降维方法用到实际的数据中，我们在WINE数据上，对线性降维和非线性降维方法进行对比：以低维空间的维度作为超参数，仍然选取k-近邻作为分类器，通过观察测试集上表现来对降维效果有定性的认识。

import numpy as np

from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import cross_validate
from sklearn.manifold import Isomap,MDS
from sklearn.manifold import locally_linear_embedding as LLE
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler 
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier as KNC
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt

data=datasets.load_wine()
X=StandardScaler().fit(data['data']).transform(data['data'])
y=data['target']

def dim_reductor(n,X):
reductor=dict(PCA=PCA(n).fit(X).transform(X),\
ISOMAP=Isomap(10,n).fit(X).transform(X),\
MDS=MDS(n).fit_transform(X),\
LLE=LLE(X,10,n)[0])
return(reductor)

mse_mat=np.zeros((4,X.shape[1]))
for n in range(1,X.shape[1]+1):
reductor=dim_reductor(n,X)
test_mse=[]
for name, method in reductor.items():
X_new=reductor[name]
clf=KNC()
clf_dict=cross_validate(clf,X_new,y,\

cv=5,scoring='accuracy')
test_mse.append(clf_dict['test_score'].mean())
mse_mat[:,n-1]=test_mse
        
sns.set(style='darkgrid')
for idex,name in enumerate(reductor.keys()):
plt.plot(range(1,X.shape[1]+1),mse_mat[idex],label=name)
plt.xlabel('dimensions')
plt.ylabel('accuracy')
plt.legend()
plt.show()

我们发现，无论在哪一个维度，LLE的表现均是最差的，而且LLE并不会随着维度波动，而是一直在上升。而其他三种降维方法，MDS在维度为3的时候表现最好，PCA在维度为5的时候表现最好，ISOMAP在维度为6的时候表现最好。这能否说明，WINE数据并没有明显的流形结构，或者ISOMAP的结果告诉我们，WINE数据其实可能是一个嵌在13维空间的6维流形，这些我们无从得知。从工程上来说，我们可能需要将各类流形学习用进去，直到降低合适维度可以得到我们需要的性能。

这些算法看起来并没有太大的差异，我们也可以看到MDS，ISOMAP，PCA三种方法交缠在一起，难分高下，那么我们大胆地来试一种虽然不属于流形学习，但却属于非线性降维——加了kernel的PCA：

from sklearn.decomposition import KernelPCA

def dim_reductor(n,X):
...
KPCA=KernelPCA(n,'rbf').fit_transform(X)#添加到前文的dim_reductor函数中
...
......

我们惊奇地发现，Kernel PCA的曲线几乎一直在其他曲线的上方！这说明，在几乎所有的维度上，Kernel PCA的表现要好于其他的降维算法（针对WINE数据），维度等于2时，我们还可以比较各类降维的算法的表现：

sns.barplot(mse_mat[:,1],list(reductor.keys()))

那么为什么PCA加了Kernel，性能就要比原始的PCA算法更好呢？以及，Kernel到底是什么？为什么会加了Kernel就使得PCA从一个线性算法变成了非线性？下周我们再见吧，《机器学习的核技巧（kernel trick）》会为大家来解答。

读芯君开扒

课堂TIPS

•当数据处在一个高维空间的低维流形时，我们就可以方便的使用内禀坐标，即流形中的坐标就可以很好的描述数据，流形学习的出发点就在于此。

•流形学习除了ISOMAP和LLE，常见的流形学习方法还有 Hessian Eigenmapping，t-SNE， Laplacian Eigenmaps ，Local tangent space alignment。但流形学习需要克服最大的问题在于，流形的局部空间等价于欧氏空间，而在局部往往就要进行密采样的操作，而这一条件往往得不到满足。

•特征选择和降维本身虽然并不相同，但也并不矛盾，我们在实际工程中，可以先做特征选择，再做降维，对于不同的数据，可能会有不同的效果。但可以预见的是，当存在多余特征的时候，高维空间的点会变得更加稀疏，密采样会遇到更大的困难，先做特征选择去除掉多余特征是非常有必要的。

留言 点赞 发个朋友圈

我们一起探讨AI落地的最后一公里

作者：唐僧不用海飞丝

如需转载，请后台留言，遵守转载规范

推荐文章阅读

长按识别二维码可添加关注

读芯君爱你