《线性判别分析LDA》课件.pptx

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1、线性判别分析线性判别分析LDALDA 制作人：时间：2024年X月CATALOGUE目录目录第第1 1章章 线性判别分析线性判别分析LDALDA简介简介第第2 2章章 LDA LDA的推导过程的推导过程第第3 3章章 LDA LDA的应用实例的应用实例第第4 4章章 LDA LDA与其他算法的比较与其他算法的比较第第5 5章章 LDA LDA的局限性与改进的局限性与改进第第6 6章章 总结总结第第7 7章章 线性判别分析线性判别分析LDALDA 0101第第1章章 线线性判性判别别分析分析LDA简简介介 什么是线性判别分析什么是线性判别分析LDALDA线性判别分析（Linear Discrim

2、inant Analysis，简称LDA）是一种统计学习方法，用于解决多分类问题。LDA是一种监督学习方法，它通过将数据投影到高维空间中，使得数据在投影后能更加容易地被分类器分开。LDALDA的应用场景的应用场景在图像分类中，LDA可以用来对图像进行特征提取，并将图像分类到不同的类别中。图像分类图像分类在文本分类中，LDA可以用来对文本进行主题建模，并将文本分类到不同的主题中。文本分类文本分类在人脸识别中，LDA可以用来对人脸进行特征提取，并将人脸识别到不同的人脸中。人脸识别人脸识别在垃圾邮件过滤中，LDA可以用来对邮件进行主题建模，并将邮件分类为垃圾邮件或非垃圾邮件。垃圾邮件过滤垃圾邮件过滤

3、LDALDA与与PCAPCA的区别的区别LDA和PCA都是常用的降维方法，但是它们的目标不同。PCA的目标是找到能够最大程度保留原数据信息的低维表示，而LDA的目标则是将数据投影到一个能够使类之间的距离最大化、类内的距离最小化的低维空间中。因此，LDA通常用来进行监督学习，而PCA则通常用来进行无监督学习。LDALDALDALDA的数学原理的数学原理的数学原理的数学原理理解理解LDALDA的本质需要了解的本质需要了解LDALDA的数学原理。的数学原理。LDALDA的主要思想的主要思想是在低维空间中找到能够使类之间的距离最大化、类内的是在低维空间中找到能够使类之间的距离最大化、类内的距离最小化的

4、投影方向。距离最小化的投影方向。LDALDA的推导过程比较复杂，我们在的推导过程比较复杂，我们在这里只给出这里只给出LDALDA的数学公式。的数学公式。LDALDA的数学公式的数学公式LDA的数学公式包含两个部分：Sw和Sb。其中，Sw表示类内散度矩阵，Sb表示类间散度矩阵。LDA的目标是最大化J(w)，其中，w表示投影方向，J(w)表示投影后类间距离与类内距离的比值。LDALDA的特点的特点LDA能够减少特征的数量，并且能够提高分类的准确率。LDALDA的优点的优点LDA对离群点比较敏感，容易受到噪声的干扰。LDALDA的缺点的缺点LDA的改进方法主要有增量LDA、正则化LDA、混合LDA等

5、。LDALDA的改进方的改进方法法 在图像分类中，LDA可以用来对图像进行特征提取，并将图像分类到不同的类别中。图像分类图像分类0103在人脸识别中，LDA可以用来对人脸进行特征提取，并将人脸识别到不同的人脸中。人脸识别人脸识别02在文本分类中，LDA可以用来对文本进行主题建模，并将文本分类到不同的主题中。文本分类文本分类LDALDALDALDA目标：找到能够最大程度区分不同类别的低目标：找到能够最大程度区分不同类别的低维表示维表示优点：适用于监督学习，能够提高分类准确优点：适用于监督学习，能够提高分类准确率率缺点：对离群点比较敏感，容易受到噪声的缺点：对离群点比较敏感，容易受到噪声的干扰干扰

6、共同点共同点共同点共同点都是常用的降维方法都是常用的降维方法都能够提高模型的训练速度和都能够提高模型的训练速度和分类准确率分类准确率 PCAPCA与与LDALDA的比较的比较PCAPCAPCAPCA目标：找到保留原数据信息的最佳低维表示目标：找到保留原数据信息的最佳低维表示优点：适用于无监督学习优点：适用于无监督学习缺点：不能提高分类准确率缺点：不能提高分类准确率 0202第第2章章 LDA的推的推导过导过程程 二分类二分类二分类二分类LDALDALDALDA的推的推的推的推导导导导线性判别分析（线性判别分析（LDALDA）是一种监督学习方法，用于在降维时）是一种监督学习方法，用于在降维时保留

7、数据的类别信息。二分类保留数据的类别信息。二分类LDALDA的概念在于通过线性变换的概念在于通过线性变换将样本投影到一条直线上，使得同一类别的样本尽可能接将样本投影到一条直线上，使得同一类别的样本尽可能接近，不同类别的样本尽可能远离。数学推导包括求类内散近，不同类别的样本尽可能远离。数学推导包括求类内散度矩阵和类间散度矩阵，通过求解广义瑞利商得到最优投度矩阵和类间散度矩阵，通过求解广义瑞利商得到最优投影方向。实现步骤包括计算均值向量、散度矩阵和求解特影方向。实现步骤包括计算均值向量、散度矩阵和求解特征值等。征值等。二分类二分类LDALDA的实现步骤的实现步骤对每个类别的样本计算均值向量计算均值

8、向量计算均值向量计算类内散度矩阵和类间散度矩阵计算散度矩阵计算散度矩阵对类间散度矩阵的逆矩阵与类内散度矩阵做乘积，并求解特征值求解特征值求解特征值 多分类多分类多分类多分类LDALDALDALDA的推的推的推的推导导导导多分类多分类LDALDA扩展了二分类扩展了二分类LDALDA的概念，允许样本属于多个类的概念，允许样本属于多个类别。数学推导相似，但涉及到多个类别的散度矩阵。实现别。数学推导相似，但涉及到多个类别的散度矩阵。实现步骤也类似，但需要考虑多分类情况下的特殊处理。步骤也类似，但需要考虑多分类情况下的特殊处理。多分类多分类LDALDA的实现步骤的实现步骤对每个类别的样本计算均值向量计算

9、类别均值计算类别均值向量向量计算每个类别内部的散度矩阵计算类内散度计算类内散度矩阵矩阵计算不同类别之间的散度矩阵计算类间散度计算类间散度矩阵矩阵 LDALDA的模型评估的模型评估在评估LDA模型时，常用的指标包括分类准确率、混淆矩阵和ROC曲线。分类准确率指模型在测试数据上的正确分类率。混淆矩阵展示了模型在每个类别上的分类情况。ROC曲线则是通过改变分类阈值来观察真正例率和假正例率之间的关系。混淆矩阵混淆矩阵混淆矩阵混淆矩阵真正例、真负例、假正例和假负例的分类情真正例、真负例、假正例和假负例的分类情况况ROCROCROCROC曲线曲线曲线曲线以假正例率为横轴，真正例率以假正例率为横轴，真正例率

10、为纵轴绘制的曲线为纵轴绘制的曲线 LDALDA的模型评估指标的模型评估指标分类准确率分类准确率分类准确率分类准确率计算分类正确的样本数占总样本数的比例计算分类正确的样本数占总样本数的比例LDALDALDALDA的手写实现的手写实现的手写实现的手写实现除了使用现有的机器学习库外，我们也可以通过除了使用现有的机器学习库外，我们也可以通过PythonPython自自行实现行实现LDALDA算法。手写实现可以更好地理解算法细节，并在算法。手写实现可以更好地理解算法细节，并在特定场景下进行定制化修改。在特定场景下进行定制化修改。在PythonPython中，可以利用中，可以利用numpynumpy等库来

11、进行矩阵运算，实现等库来进行矩阵运算，实现LDALDA算法的各个步骤。算法的各个步骤。LDALDA的手写实现步骤的手写实现步骤使用Python编程语言实现LDA算法基于基于PythonPython的的实现实现对每个类别的样本计算均值向量计算均值向量计算均值向量计算类内散度矩阵和类间散度矩阵计算散度矩阵计算散度矩阵 0303第第3章章 LDA的的应应用用实实例例 图像分类图像分类图像分类图像分类LDALDA作为一种监督学习方法，在图像分类方面具有广泛的应作为一种监督学习方法，在图像分类方面具有广泛的应用。通过用。通过LDALDA算法对特征空间的判别度进行优化，可以提高算法对特征空间的判别度进行优

12、化，可以提高分类准确性。基于分类准确性。基于LDALDA算法进行数字识别的案例分析，也证算法进行数字识别的案例分析，也证明了明了LDALDA在图像分类中的有效性。在图像分类中的有效性。基于基于LDALDA的数字识别的数字识别分析LDA算法在数字识别中的优势介绍介绍LDALDA算法算法在数字识别中在数字识别中的应用的应用对手写数字进行特征提取数据预处理数据预处理利用LDA算法进行特征优化，构建分类模型分类模型构建分类模型构建使用训练好的模型对数字进行分类模型训练与测模型训练与测试试文本分类文本分类文本分类文本分类LDALDA在文本分类中也有着广泛的应用。基于在文本分类中也有着广泛的应用。基于LD

13、ALDA算法进行新算法进行新闻主题分类的案例分析，得到了不错的结果。通过闻主题分类的案例分析，得到了不错的结果。通过LDALDA算法算法实现文本分类，可以提高分类效率和准确性。实现文本分类，可以提高分类效率和准确性。基于基于LDALDA的新闻主题分类的新闻主题分类分析LDA算法在新闻主题分类中的优势介绍介绍LDALDA算法算法在文本分类中在文本分类中的应用的应用将新闻文本进行处理，提取特征数据预处理数据预处理利用LDA算法构建主题模型主题模型构建主题模型构建使用训练好的模型对新闻进行分类模型训练与测模型训练与测试试人脸识别人脸识别人脸识别人脸识别LDALDA在人脸识别中的应用也是非常广泛的。通

14、过在人脸识别中的应用也是非常广泛的。通过LDALDA算法对算法对人脸进行特征提取和优化，可以提高人脸识别的准确性和人脸进行特征提取和优化，可以提高人脸识别的准确性和鲁棒性。鲁棒性。基于基于LDALDA的人脸识别系统的人脸识别系统分析LDA算法在人脸识别中的优势介绍介绍LDALDA算法算法在人脸识别中在人脸识别中的应用的应用对人脸图像进行特征提取和预处理数据预处理数据预处理使用LDA算法对人脸进行特征提取和优化特征提取与优特征提取与优化化利用LDA算法构建分类模型分类模型构建分类模型构建垃圾邮件过滤垃圾邮件过滤垃圾邮件过滤垃圾邮件过滤LDALDA在垃圾邮件过滤中也有着广泛的应用。通过在垃圾邮件过

15、滤中也有着广泛的应用。通过LDALDA算法对算法对邮件内容进行特征提取和优化，可以提高垃圾邮件过滤的邮件内容进行特征提取和优化，可以提高垃圾邮件过滤的准确性和鲁棒性。准确性和鲁棒性。基于基于LDALDA的垃圾邮件过滤系统的垃圾邮件过滤系统分析LDA算法在垃圾邮件过滤中的优势介绍介绍LDALDA算法算法在垃圾邮件过在垃圾邮件过滤中的应用滤中的应用对邮件内容进行预处理和特征提取数据预处理数据预处理使用LDA算法构建主题模型主题模型构建主题模型构建使用训练好的模型对邮件进行分类模型训练与测模型训练与测试试 0404第第4章章 LDA与其他算法的比与其他算法的比较较 LDALDALDALDA与与与与P

16、CAPCAPCAPCA的比的比的比的比较较较较PCAPCA的基本原理：的基本原理：PCAPCA是一种无监督的降维算法，通过找到是一种无监督的降维算法，通过找到数据中最具代表性的主成分方向，将高维数据映射到低维数据中最具代表性的主成分方向，将高维数据映射到低维空间。空间。LDALDA与与PCAPCA的区别：的区别：LDALDA是一种有监督的降维算法，是一种有监督的降维算法，旨在使得不同类别之间的距离最大化，同一个类别内部的旨在使得不同类别之间的距离最大化，同一个类别内部的距离最小化，能更好地保留类别间区别，并降低类别内部距离最小化，能更好地保留类别间区别，并降低类别内部差异。差异。LDALDAL

17、DALDA与与与与SVMSVMSVMSVM的比的比的比的比较较较较SVMSVM的基本原理：的基本原理：SVMSVM是一种分类算法，通过在高维空间寻是一种分类算法，通过在高维空间寻找最大边界，将数据分为两个类别。找最大边界，将数据分为两个类别。LDALDA与与SVMSVM的区别：的区别：LDALDA是一种有监督的降维算法，能够更好地保留类别间区别；是一种有监督的降维算法，能够更好地保留类别间区别；而而SVMSVM是一种分类算法，不具有降维的功能，只能在高维空是一种分类算法，不具有降维的功能，只能在高维空间中进行分类。间中进行分类。LDALDALDALDA与与与与LRLRLRLR的比较的比较的比较

18、的比较LRLR的基本原理：的基本原理：LRLR是一种分类算法，通过对数据进行拟合，是一种分类算法，通过对数据进行拟合，计算样本属于某个类别的概率，从而进行分类。计算样本属于某个类别的概率，从而进行分类。LDALDA与与LRLR的的区别：区别：LDALDA是一种有监督的降维算法，能够更好地保留类别是一种有监督的降维算法，能够更好地保留类别间区别；而间区别；而LRLR是一种分类算法，不具有降维的功能，只能是一种分类算法，不具有降维的功能，只能在高维空间中进行分类。在高维空间中进行分类。LDALDALDALDA在大规模数在大规模数在大规模数在大规模数据中的应用据中的应用据中的应用据中的应用分布式分布

19、式LDALDA算法：通过将算法：通过将LDALDA算法分解为多个小任务，分别算法分解为多个小任务，分别在不同的机器上进行运算，从而加速算法的执行。云计算在不同的机器上进行运算，从而加速算法的执行。云计算中的中的LDALDA算法：利用云计算的强大计算能力，可以更快地处算法：利用云计算的强大计算能力，可以更快地处理大规模数据，提高算法的执行效率。理大规模数据，提高算法的执行效率。SVMSVMSVMSVMSVMSVM是一种分类算法是一种分类算法通过在高维空间寻找最大边界，将数据分为通过在高维空间寻找最大边界，将数据分为两个类别两个类别LRLRLRLRLRLR是一种分类算法是一种分类算法通过对数据进行

20、拟合，计算样通过对数据进行拟合，计算样本属于某个类别的概率，从而本属于某个类别的概率，从而进行分类进行分类分布式分布式分布式分布式LDALDALDALDA算法算法算法算法将将LDALDA算法分解为多个小任务，分别在不算法分解为多个小任务，分别在不同的机器上进行运算同的机器上进行运算加速算法的执行加速算法的执行LDALDA与其他算法的比较与其他算法的比较PCAPCAPCAPCAPCAPCA是一种无监督的降维算法是一种无监督的降维算法通过找到数据中最具代表性的主成分方向，将通过找到数据中最具代表性的主成分方向，将高维数据映射到低维空间高维数据映射到低维空间无监督降维算法PCAPCA0103分类算法

21、LRLR02分类算法SVMSVMLDALDA与与PCAPCA的比较的比较 PCAPCA的基本原的基本原理理 LDALDA与与PCAPCA的区的区别别 LDALDA与与SVMSVM的比较的比较 SVMSVM的基本原的基本原理理 LDALDA与与SVMSVM的区的区别别 LDALDA与与LRLR的比较的比较 LRLR的基本原理的基本原理 LDALDA与与LRLR的区的区别别 LDALDA在大规模数据中的应用在大规模数据中的应用 分布式分布式LDALDA算算法法 云计算中的云计算中的LDALDA算法算法 0505第第5章章 LDA的局限性与改的局限性与改进进 LDALDA的局限性的局限性线性判别分析

22、LDA是一种常用的分类算法，但是在实际应用中也存在一些局限性。其中包括样本分布不均衡、样本维度过高以及样本标签不准确等问题。样本分布不均衡样本分布不均衡不同类别的样本数量差别比较大，导致分类器在预测类别时表现不佳问题描述问题描述使用过采样、欠采样、SMOTE等方法，使不同类别的样本数量相对平衡解决方法解决方法在垃圾邮件过滤中，垃圾邮件数量往往比正常邮件多得多，因此需要使用过采样或欠采样等方法来解决不均衡问题示例示例 样本维度过高样本维度过高样本数据维度过高，导致分类器在预测类别时表现不佳问题描述问题描述使用特征选择、降维等方法来减少特征的维度，从而提高分类器的性能解决方法解决方法在图像分类中，

23、图像的像素维度往往非常高，需要使用降维等方法来减少特征维度，提高分类器的性能示例示例 样本标签不准确样本标签不准确样本的标签可能存在错误或不准确，导致分类器在预测类别时表现不佳问题描述问题描述使用半监督学习、主动学习等方法来提高样本标签的准确性解决方法解决方法在文本分类中，文本可能存在歧义或难以确定的类别，需要使用半监督学习等方法来提高标签的准确性示例示例 分类器组合方法分类器组合方法将多个不同的分类器组合起来使用，以提高分类器的性能方法描述方法描述优点是可以利用不同分类器的优点，提高整体性能；缺点是需要对不同分类器进行调参，使得组合方法的效果达到最优优缺点优缺点在集成学习中，常用的方法包括随

24、机森林、AdaBoost等，可以将多个决策树模型组合起来使用示例示例 样本重构方法样本重构方法通过样本重构的方式，使得原本不平衡、难以分类的样本变得容易分类方法描述方法描述优点是可以有效地解决样本不平衡问题；缺点是需要额外的计算成本，并且可能会引入噪声优缺点优缺点在SMOTE算法中，使用插值的方式，生成新的合成样本，从而增加少数类别的样本数量，提高分类器的性能示例示例 样本扩充方法样本扩充方法通过数据增强的方式，生成更多的合成样本，从而提高分类器的性能方法描述方法描述优点是可以增加训练数据的多样性，提高分类器的鲁棒性；缺点是可能会引入噪声，影响分类器的性能优缺点优缺点在图像分类中，可以使用数据

25、增强的方式，对图像进行旋转、缩放、裁剪等操作，生成更多的合成样本，从而提高分类器的性能示例示例 0606第第6章章 总结总结 LDALDA的优点的优点LDA在许多实际应用中表现优异，比如人脸识别、图片分类和文本分类等领域。1.1.提高分类提高分类准确率准确率LDA可以将高维数据映射至低维度空间，从而避免了维度灾难问题，同时也可以加速算法的计算速度。2.2.降低数据降低数据维度维度LDA的理论基础是贝叶斯理论，可以通过概率的方式来解释分类结果。3.3.明确的概明确的概率意义率意义 LDALDA的缺点的缺点LDA假设每个类别的数据都服从高斯分布，如果数据的分布不满足正态分布，那么LDA的分类效果就

26、会受到影响。1.1.对数据分对数据分布的假设要求布的假设要求高高LDA对噪声比较敏感，容易受到异常值的影响。2.2.对噪声敏对噪声敏感感LDA需要计算类内散度矩阵和类间散度矩阵，如果数据集比较大，计算量就会比较大。3.3.计算复杂计算复杂度高度高 LDALDALDALDA的应用前景的应用前景的应用前景的应用前景LDALDA可以应用在许多领域，比如：可以应用在许多领域，比如：1.1.文本分类文本分类 2.2.图像分图像分类类 3.3.人脸识别人脸识别 4.4.生物特征识别生物特征识别 5.5.模式识别等。模式识别等。LDALDA还有很多未被挖掘的应用领域，未来的研究空间很大。还有很多未被挖掘的应

27、用领域，未来的研究空间很大。LDALDA学习资源推荐学习资源推荐统计自然语言处理 模式分类 机器学习等。1.1.书籍书籍David M Blei,Andrew Y Ng,Michael I Jordan,Latent dirichlet allocation,Journal of machine Learning research,2003,3(1):993-1022.2.2.论文论文LDA的相关博客有很多，比如csdn、博客园、知乎等。3.3.博客博客Coursera、网易云课堂、慕课网等都有关于LDA的学习课程。4.4.课程课程将不同的数据类型结合到LDA框架内，如图像、文本、语音等。1.

28、1.多模态多模态LDALDA0103在LDA中加入标签信息，提高分类效果。3.3.带有标签的带有标签的LDALDA02结合深度学习的方法，学习更为复杂的特征表达。2.2.基于深度学习的基于深度学习的LDALDALDALDA的常见问题的常见问题1.LDA对噪声和异常值的处理方式是什么？2.LDA的分类效果如何评价？3.LDA在非正态分布下的表现如何？4.LDA的计算复杂度如何控制？5.LDA如何选择合适的超参数？LDALDA的解决方案的解决方案对数据进行清洗、归一化、特征选择等预处理，可以提高LDA的分类效果。1.1.数据预处数据预处理理通过交叉验证等方式，选择合适的超参数，可以提高LDA的分类

29、效果。2.2.超参数调超参数调优优通过异常检测、噪声过滤等方法，可以提高LDA的鲁棒性。3.3.异常检测异常检测通过改进LDA模型，如引入非线性映射、加入先验知识、考虑半监督学习等方法，可以提高LDA的分类效果。4.4.模型改进模型改进 0707第第7章章 线线性判性判别别分析分析LDA 什么是线性判别什么是线性判别什么是线性判别什么是线性判别分析分析分析分析LDALDALDALDA？线性判别分析（线性判别分析（LDALDA）是一种常见的模式识别和机器学习算）是一种常见的模式识别和机器学习算法，它被广泛应用于图像分类、人脸识别、语音识别等领法，它被广泛应用于图像分类、人脸识别、语音识别等领域。

30、它通过优化一个目标函数，将数据投影到一个低维度域。它通过优化一个目标函数，将数据投影到一个低维度的空间中，以实现分类或聚类的目的。的空间中，以实现分类或聚类的目的。LDA可以将高维数据降到低维降维降维0103LDA不容易受到异常值影响对异常值不敏感对异常值不敏感02LDA在分类问题上效果优秀分类效果好分类效果好LDALDA的应用场景的应用场景LDA在图像分类中有广泛应用图像分类图像分类LDA在人脸识别中也有较好的表现人脸识别人脸识别LDA可以用于语音识别中的特征提取语音识别语音识别LDA可以用于生物信息学中的序列比对生物信息学生物信息学PCAPCAPCAPCA仅降维仅降维不能分类不能分类对异常

31、值敏感对异常值敏感K-meansK-meansK-meansK-means仅聚类仅聚类无法做分类无法做分类容易受到异常值影响容易受到异常值影响SVMSVMSVMSVM有降维功能有降维功能分类效果好分类效果好对异常值不够稳健对异常值不够稳健LDALDA与其他算法的比较与其他算法的比较LDALDALDALDA降维降维分类效果好分类效果好对异常值不敏感对异常值不敏感准备数据集并进行标记数据准备数据准备0103对散度矩阵进行特征值分解求解特征值和特征向量求解特征值和特征向量02将数据映射到新的空间中计算类内散度矩阵和类间散度矩阵计算类内散度矩阵和类间散度矩阵LDALDA算法的数学原理算法的数学原理LD

32、A的数学原理涉及到线性代数、高等数学等多个领域。它使用了矩阵分解、特征值分解、特征向量、最优化等数学方法，将原始数据在低维空间中进行线性判别。在实际应用中，我们通常使用现成的机器学习库进行实现，不需要自己去研究过多的数学原理。LDALDALDALDA的局限性的局限性的局限性的局限性LDALDA虽然在许多领域都有着良好的表现，但也存在一些局限虽然在许多领域都有着良好的表现，但也存在一些局限性。例如，性。例如，LDALDA要求样本服从高斯分布，对于非高斯分布的要求样本服从高斯分布，对于非高斯分布的数据可能表现不佳。此外，数据可能表现不佳。此外，LDALDA不能处理非线性问题，也不不能处理非线性问题，也不能处理多分类问题。能处理多分类问题。LDALDA的应用案例的应用案例使用LDA对手写数字进行分类数字手写体识数字手写体识别别使用LDA对肺癌CT图像进行分类肺癌肺癌CTCT图像分图像分类类使用LDA对语音进行情感分类语音情感识别语音情感识别 THANKS 谢谢观看！