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主成分分析与因子分析及SPSS实现（一）：原理与方法

(2021-09-0813:33:57)

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一、主成分分析

（1）问题提出

在问题研究中，为了不遗漏和准确起见，往往会面面俱到，取得大量的指标来进行分析。

比如为了研究某种疾病的影响因素，我们可能会收集患者的人口学资料、病史、体征、

化验检查等等数十项指标。如果将这些指标直接纳入多元统计分析，不仅会使模型变得

复杂不稳定，而且还有可能因为变量之间的多重共线性引起较大的误差。有没有一种办

法能对信息进行浓缩，减少变量的个数，同时消除多重共线性？

这时，主成分分析隆重登场。

（2）主成分分析的原理

主成分分析的本质是坐标的旋转变换，将原始的n个变量进行重新的线性组合，生成n

个新的变量，他们之间互不相关，称为n个“成分”。同时按照方差最大化的原则，保

证第一个成分的方差最大，然后依次递减。这n个成分是按照方差从大到小排列的，其

中前m个成分可能就包含了原始变量的大部分方差（及变异信息）。那么这m个成分

就成为原始变量的“主成分”，他们包含了原始变量的大部分信息。

注意得到的主成分不是原始变量筛选后的剩余变量，而是原始变量经过重新组合后的

“综合变量”。

我们以最简单的二维数据来直观的解释主成分分析的原理。假设现在有两个变量X1、

X2，在坐标上画出散点图如下：

可见，他们之间存在相关关系，如果我们将坐标轴整体逆时针旋转45°，变成新的坐标

系Y1、Y2，如下图：

根据坐标变化的原理，我们可以算出：

Y1=sqrt(2)/2*X1+sqrt(2)/2*X2

Y2=sqrt(2)/2*X1-sqrt(2)/2*X2

其中sqrt(x)为x的平方根。

通过对X1、X2的重新进行线性组合，得到了两个新的变量Y1、Y2。

此时，Y1、Y2变得不再相关，而且Y1方向变异（方差）较大，Y2方向的变异（方差）

较小，这时我们可以提取Y1作为X1、X2的主成分，参与后续的统计分析，因为它携

带了原始变量的大部分信息。

至此我们解决了两个问题：降维和消除共线性。

对于二维以上的数据，就不能用上面的几何图形直观的表示了，只能通过矩阵变换求解，

但是本质思想是一样的。

二、因子分析

（一）原理和方法：

因子分析是主成分分析的扩展。

在主成分分析过程中，新变量是原始变量的线性组合，即将多个原始变量经过线性（坐

标）变换得到新的变量。

因子分析中，是对原始变量间的内在相关结构进行分组，相关性强的分在一组，组间相

关性较弱，这样各组变量代表一个基本要素（公共因子）。通过原始变量之间的复杂关

系对原始变量进行分解，得到公共因子和特殊因子。将原始变量表示成公共因子的线性

组合。其中公共因子是所有原始变量中所共同具有的特征，而特殊因子则是原始变量所

特有的部分。因子分析强调对新变量（因子）的实际意义的解释。

举个例子：

比如在市场调查中我们收集了食品的五项指标（x1-x5）:味道、价格、风味、是否快餐、

能量，经过因子分析，我们发现了：

x1=0.02*z1+0.99*z2+e1

x2=0.94*z1-0.01*z2+e2

x3=0.13*z1+0.98*z2+e3

x4=0.84*z1+0.42*z2+e4

x5=0.97*z1-0.02*z2+e1

（以上的数字代表实际为变量间的相关系数，值越大，相关性越大）

第一个公因子z1主要与价格、是否快餐、能量有关，代表“价格与营养”

第二个公因子z2主要与味道、风味有关，代表“口味”

e1-5是特殊因子，是公因子中无法解释的，在分析中一般略去。

同时，我们也可以将公因子z1、z2表示成原始变量的线性组合，用于后续分析。

（二）使用条件：

（1）样本量足够大。通常要求样本量是变量数目的5倍以上，且大于100例。

（2）原始变量之间具有相关性。如果变量之间彼此独立，无法使用因子分析。在SPSS

中可用KMO检验和Bartlett球形检验来判断。

（3）生成的公因子要有实际的意义，必要时可通过因子旋转（坐标变化）来达到。

三、主成分分析和因子分析的联系与区别

联系：两者都是降维和信息浓缩的方法。生成的新变量均代表了原始变量的大部分信息

且互相独立，都可以用于后续的回归分析、判别分析、聚类分析等等。

区别：

（1）主成分分析是按照方差最大化的方法生成的新变量，强调新变量贡献了