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第九讲 主成份分析 主成分分析 立体数据表的主成分分析 * * 写为矩阵形式： * * §4 主成分的性质 一、均值 二、方差为所有特征根之和 说明主成分分析把P个随机变量的总方差分解成为P个不相关的随机变量的方差之和。 协方差矩阵?的对角线上的元素之和等于特征根之和。 * * 三、精度分析 1）贡献率：第i个主成分的方差在全部方差中所占比重 ，称为贡献率 ，反映了原来P个指标多大的信息，有多大的综合能力 。 2）累积贡献率：前k个主成分共有多大的综合能力，用这k个主成分的方差和在全部方差中所占比重 来描述，称为累积贡献率。 * * 我们进行主成分分析的目的之一是希望用尽可能少的主成分F1，F2，…，Fk（k≤p）代替原来的P个指标。到底应该选择多少个主成分，在实际工作中，主成分个数的多少取决于能够反映原来变量80%以上的信息量为依据，即当累积贡献率≥80%时的主成分的个数就足够了。最常见的情况是主成分为2到3个。 * * 四、原始变量与主成分之间的相关系数 * * 可见， 和 的相关的密切程度取决于对应线性组合系数的大小。 * * * * 五、原始变量被主成分的提取率 前面我们讨论了主成分的贡献率和累计贡献率，他度量了F1，F2，……，Fm分别从原始变量X1，X2，……XP中提取了多少信息。那么X1，X2，……XP各有多少信息分别F1，F2，……，Fm被提取了。应该用什么指标来度量？我们考虑到当讨论F1分别与X1，X2，……XP的关系时，可以讨论F1分别与X1，X2，……XP的相关系数，但是由于相关系数有正有负，所以只有考虑相关系数的平方。 * * 如果我们仅仅提出了m个主成分，则第i 原始变量信息的被提取率为： 是Fj 能说明的第i 原始变量的方差 是Fj 提取的第i 原始变量信息的比重 * * 例 设 的协方差矩阵为 解得特征根为 ， ， ，， 第一个主成分的贡献率为5.83/（5.83+2.00+0.17）=72.875%，尽管第一个主成分的贡献率并不小，但在本题中第一主成分不含第三个原始变量的信息，所以应该取两个主成分。 * * Xi与F1的 相关系数 平方 Xi与F2的相关系数 平方 信息提取率 xi 1 0.925 0.855 0 0 0.855 2 -0.998 0.996 0 0 0.996 3 0 0 1 1 1 * * 定义：如果一个主成分仅仅对某一个原始变量有作用，则称为特殊成分。如果一个主成分所有的原始变量都起作用称为公共成分。 (该题无公共因子） * * * * 主成分概念首先由 Karl Parson在1901年引进，当时只对非随机变量来讨论的。1933年Hotelling将这个概念推广到随机变量。 在多数实际问题中，不同指标之间是有一定相关性。由于指标较多及指标间有一定的相关性，势必增加分析问题的复杂性。 主成分分析就是设法将原来指标重新组合成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原来指标。同时根据实际需要从中可取几个较少的综合指标尽可能多地反映原来的指标的信息。 * * 一项十分著名的工作是美国的统计学家斯通(stone)在1947年关于国民经济的研究。他曾利用美国1929一1938年各年的数据，得到了17个反映国民收入与支出的变量要素，例如雇主补贴、消费资料和生产资料、纯公共支出、净增库存、股息、利息外贸平衡等等。 §1 基本思想 * * 在进行主成分分析后，竟以97.4％的精度，用三新变量就取代了原17个变量。根据经济学知识，斯通给这三个新变量分别命名为总收入F1、总收入变化率F2和经济发展或衰退的趋势F3。更有意思的是，这三个变量其实都是可以直接测量的。斯通将他得到的主成分与实际测量的总收入I、总收入变化率?I以及时间t因素做相关分析，得到下表： * * ? F1 F2 F3 i i t F1 1 ? ? ? ? ? F2 0 1 ? ? ? ? F3 0 0 1 ? ? ? i 0.995 -0.041 0.057 l ? ? i -0.056 0.948 -0.124 -0.102 l ? t -0.369 -0.282 -0.836 -0.414 -0.112 1 * * 主成分分析是把各变量之间互相关联的复杂关系进行简化分析的方法。 在社会经济的研究中，为了全面系统的分析和研究问题，必须考虑许多经济指标，这些指标能从不同的侧面反映我们所