Project 1: Principle Component Analysis

Σχετικά έγγραφα
Η ΜΕΘΟΔΟΣ PCA (Principle Component Analysis)

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Συνδυαστική Βελτιστοποίηση Εισαγωγή στον γραμμικό προγραμματισμό (ΓΠ)

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

11 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

Παραδείγματα (2) Διανυσματικοί Χώροι

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

Συμπίεση Πληροφορίας Πλαισίου με Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών

Εισαγωγή στους Υπολογιστές

Ασκήσεις Φροντιστηρίου «Υπολογιστική Νοημοσύνη Ι» 5 o Φροντιστήριο

Μοντέλα Παλινδρόμησης. Άγγελος Μάρκος, Λέκτορας ΠΤ Ε, ΠΘ

D = / Επιλέξτε, π.χ, το ακόλουθο απλό παράδειγμα: =[IA 1 ].

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

Παραδείγματα Διανυσματικοί Χώροι Ι. Λυχναρόπουλος

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση Ι. Λυχναρόπουλος

Γραμμικός Προγραμματισμός Μέθοδος Simplex

Αριθμητική Ανάλυση & Εφαρμογές

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ Ασκήσεις Πράξης

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

ΕΑΠ/ΠΛΗ22/ΑΘΗ.4/4η ΟΣΣ/ Κώδικες ελέγχου Σφαλμάτων /

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΩΝ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ...23 ΑΠΟΛΥΤΗ ΤΙΜΗ. ΑΝΙΣΟΤΗΤΕΣ...15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΥΘΕΙΕΣ...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΥΚΛΟΙ...43

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 1. Σταύρος Παπαϊωάννου

Εισαγωγή στις Φυσικές Επιστήμες ( ) Ονοματεπώνυμο Τμήμα ΘΕΜΑ 1. x x. x x x ( ) + ( 20) + ( + 4) = ( + ) + ( 10 + ) + ( )

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

ΕΑΠ/ΠΛΗ22/ΑΘΗ.4/4η ΟΣΣ/ Ν.Δημητρίου 1

= 7. Στο σημείο αυτό θα υπενθυμίσουμε κάποιες βασικές ιδιότητες του μετασχηματισμού Laplace, δηλαδή τις

. Οι ιδιοτιμές του 3 3 canonical-πίνακα είναι οι ρίζες της. , β) η δεύτερη είσοδος επηρεάζει μόνο το μεσαίο 3 3 πίνακα και

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ

Παραδείγματα (2 ο σετ) Διανυσματικοί Χώροι Επιμέλεια: Ι. Λυχναρόπουλος

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ SIMPLEX, διαλ. 3. Ανωτάτη Σχολή Παιδαγωγικής και Τεχνολογικής Εκπαίδευσης 29/4/2017

Μαθηματική Εισαγωγή Συναρτήσεις

Η λύση του προβλήματος των ιδιοτιμών και ιδιομορφών είναι εύκολη μόνο σε περιπτώσεις συστημάτων λίγων Β.Ε. Μέθοδος Rayleigh

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

Παραδείγματα (1 ο σετ) Διανυσματικοί Χώροι

1. Κατασκευάστε ένα διάνυσμα με στοιχεία τους ζυγούς αριθμούς μεταξύ του 31 και 75

. Μονάδες 3 β) Τα διανύσματα και. τότε x1x2 y1y2. είναι κάθετα αν και μόνο αν 0 Μονάδες 3 γ) Το διάνυσμα,

Συνδυαστική Βελτιστοποίηση Εισαγωγή στον γραμμικό προγραμματισμό (ΓΠ)

17. Εισαγωγή σε αριθμητικές μεθόδους για μηχανικούς και αλγορίθμους

Δισδιάστατη Αγωγή Θερμότητας: Γραφικές Μέθοδοι Ανάλυσης

Αριθμητική Ανάλυση 4.5 Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα πινάκων. Γ. Παπαευαγγέλου, ΕΔΙΠ, ΤΑΤΜ/ΑΠΘ

Τεχνολογία Παιγνίων. Τεχνολογία Παιγνίων. Εισαγωγή. Διάνυσμα και βαθμωτά μεγέθη

Αριθμητική εύρεση ριζών μη γραμμικών εξισώσεων

Γ. Πειραματισμός Βιομετρία

Μαθηματική Εισαγωγή Συναρτήσεις

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Μαθηματικών Π.Μ.Σ. Θεωρητικής Πληροφορικής και Θεωρίας Συστημάτων και Ελέγχου

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ - ΣΥΝΟΨΗ

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Αντικείμενο του κεφαλαίου είναι: Ανάλυση συσχέτισης μεταξύ δύο μεταβλητών. Εξίσωση παλινδρόμησης. Πρόβλεψη εξέλιξης

Κεφάλαιο 2. Διανύσματα και Συστήματα Συντεταγμένων

Κεφάλαιο 2. Διανύσματα και Συστήματα Συντεταγμένων

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

και 2, 2 2 είναι κάθετα να βρείτε την τιμή του κ. γ) Αν στο τρίγωνο ΑΒΓ επιπλέον ισχύει Α(3,1), να βρείτε τις συντεταγμένες των κορυφών του Β και Γ.

Σέργιος Θεοδωρίδης Κωνσταντίνος Κουτρούμπας. Version 2

Ασκήσεις3 Διαγωνισιμότητα Βασικά σημεία Διαγωνίσιμοι πίνακες: o Ορισμός και παραδείγματα.

Σφαίρα σε ράγες: Η συνάρτηση Lagrange. Ν. Παναγιωτίδης

Παρατηρήσεις για τη χρήση ενός κυκλικού διαγράμματος

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιουνίου v 3 (t) - i 2 (t)

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 6: Ανάλυση Σημάτων σε Ανάπτυγμα Σειράς Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

5. (Λειτουργικά) Δομικά Διαγράμματα

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ Ι Κεφάλαιο 4. Μέθοδοι ανάλυσης κυκλωμάτων

Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Φυσικού Τμήματος «Υπολογιστική Φυσική» Θέμα εργασίας στο A Μέρος του μαθήματος «Προσομοίωση Χαοτικών Συστημάτων»

ημιουργία και διαχείριση πινάκων

ΕΝΟΤΗΤΑ 2: Πραγματικοί Αριθμοί

1. ΣΤΑΤΙΚΗ ΑΡΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

Περιεχόμενα. Κεφάλαιο 1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΣΕ ΜΙΑ ΕΥΘΕΙΑ Οι συντεταγμένες ενός σημείου Απόλυτη τιμή...14

Wavelets α. Τι είναι τα wavelets;

Μέθοδος Ελαχίστων Τετραγώνων (για την προσαρμογή (ή λείανση) δεδομένων/μετρήσεων)

Μοντελοποίηση δικτύου μέσω εξισώσεων παρατήρησης

ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ SIMPLEX

ΓΕΝΙΚO ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ

E[ (x- ) ]= trace[(x-x)(x- ) ]

(είσοδος) (έξοδος) καθώς το τείνει στο.

Το αμπερόμετρο αποτελείται από ένα γαλβανόμετρο στο οποίο συνδέεται παράλληλα μια αντίσταση R

Το μοντέλο Perceptron

όπου Η μήτρα ή πίνακας του συστήματος

Παράδειγμα δημιουργίας συστήματος εξισώσεων παρατηρήσεων & πίνακα βάρους σε οριζόντιο δίκτυο

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα

ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Αριθμητική Επίλυση Συνήθων Διαφορίκών Εξισώσεων 3ο Εργαστήριο 27/03/2015 1

Η μέθοδος Simplex. Γεωργία Φουτσιτζή-Γκόγκος Χρήστος ΤΕΙ Ηπείρου Επιχειρησιακή Έρευνα. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

Γ. Ν. Π Α Π Α Δ Α Κ Η Σ Μ Α Θ Η Μ Α Τ Ι Κ Ο Σ ( M S C ) ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΛΥΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: Σπουδές στις Φυσικές Επιστήμες

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

1. Βασικές Συναρτήσεις Στατιστικής

ΦΙΛΤΡΟ KALMAN ΔΙΑΚΡΙΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

Γραφική Λύση & Πρότυπη Μορφή Μαθηματικού Μοντέλου

Ο πρώτος ηλικιακός κύκλος αφορά μαθητές του νηπιαγωγείου (5-6 χρονών), της Α Δημοτικού (6-7 χρονών) και της Β Δημοτικού (7-8 χρονών).

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Συνδυαστική Βελτιστοποίηση Εισαγωγή στον γραμμικό προγραμματισμό (ΓΠ)

- ΟΡΙΟ - ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 6: ΜΗ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΟ ΟΡΙΟ ΣΤΟ

Παραδείγματα Διανυσματικοί Χώροι (3)

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ. Τμήμα Φαρμακευτικής ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Λυμένες Ασκήσεις & Λυμένα Θέματα Εξετάσεων

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (Εξ. Ιουνίου - 02/07/08) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Γραμμική Αλγεβρα ΙΙ Διάλεξη 1 Εισαγωγή Χρήστος Κουρουνιώτης Πανεπισ τήμιο Κρήτης 19/2/2014 Χ.Κουρουνιώτης (Παν.Κρήτης) Διάλεξη 1 19/2/ / 13

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ AΝΑΛΥΣΗ ΙΔΙΑΖΟΥΣΩΝ ΤΙΜΩΝ

MATLAB. Εισαγωγή στο SIMULINK. Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

Transcript:

Project 1: Principle Component Analysis Μια από τις πιο σημαντικές παραγοντοποιήσεις πινάκων είναι η Singular Value Decomposition ή συντετμημένα SVD. Η SVD έχει πολλές χρήσιμες ιδιότητες, επιθυμητές σε πολλές εφαρμογές. Σε αυτή την εργασία, περιγράφεται μια συγκεκριμένη και δημοφιλής εφαρμογή της SVD: η Principle Components Analysis (PCA). Περιεχόμενα 1. Image SVD 2. PCA 1. Image SVD Η PCA αξιοποιεί την καλύτερη χαμηλού βαθμού (low-rank) προσεγγιστική ιδιότητα της SVD. Έχοντας υπολογίσει την SVD ενός m επι n πίνακα Α, αυτός μπορεί να αναπαρασταθεί σαν το άθροισμα των πινάκων πρώτου βαθμού: όπου u και v είναι τα μοναδιαία διανύσματα και σ είναι οι μοναδιαίες τιμές. Ο προσεγγιστικός βαθμός r του πίνακα είναι επομένως το άθροισμα: Ας εφαρμόσουμε αυτή την ιδέα σε μια απλή άσκηση, όπου αναζητούμε την προσέγγιση ενός πίνακα που αποτελεί μια ασπρόμαυρη εικόνα. a) Φόρτωμα και εμφάνιση της αυθεντικής εικόνας

b) Υπολογισμός της SVD: χρησιμοποιώντας την MATLAB [U, S, V] = svd(a, 0) συνάρτηση. Το μηδέν υποδηλώνει το οικονομικό μέγεθος της SVD. Στην δεύτερη εικόνα σχεδιάζονται οι μοναδιαίες τιμές σε λογαριθμική κλίμακα. Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΑΣ ΕΔΩ:

c) Υπολογισμός της προσέγγισης χαμηλού βαθμού (low-rank): Υπολογίστε επίσης το σχετικό προσεγγιστικό σφάλμα (relative approximation error) w.r.t. Frobenius norm (χρησιμοποιείστε τη συνάρτηση norm(a,'fro') του MATLAB). Σχεδιασμός της αρχικής εικόνας στο δεξί μέρος της 3ης εικόνας και της βαθμού r (rank-r) προσέγγισης στο αριστερό. Απεικόνιση της αρχικής εικόνας και των τιμών σφαλμάτων στον τίτλο. Σε ποιό βαθμό και για ποιές τιμές σφαλμάτων η αρχική εικόνα και η προσέγγισή της παύουν να είναι ευδιάκριτες; Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΑΣ ΕΔΩ:

2. PCA Θα μάθουμε την PCA μέσω ενός απλού αλλά τυπικού παραδείγματος. Υποθέστε ότι μετρούμε το ύψος και βάρος έξι υποκειμένων και γράφουμε τα δεδομένα σε στήλες ένός πίνακα Α

Κάθε ένα από τα υποκείμενα χαρακτηρίζεται από δυο στοιχεία (συντεταγμένες), ονομαστικά, ύψος, H και βάρος, W. Το ερώτημα στο οποίο απαντά η PCA είναι: υπάρχει κάποιο συστατικό στοιχείο ας το αποκαλέσουμε μέγεθος, S = το οποίο προβλέπει γραμμικά (linearly) (προσεγγίζει) το ύψος και το βάρος ταυτόχρονα; Ας επιχειρήσουμε αρχικά μια ποιοτική απάντηση στο ερώτημα. Θα επιθυμούσαμε να γνωρίζουμε αν υπάρχει κάποια ικανοποιητική προσέγγιση του ύψους και του βάρους στη μορφή: όπου α και b είναι κάποιες σταθερές. Για να το θέσουμε διαφορετικά, θα θέλαμε να μάθουμε αν ο λόγος W προς Η είναι προσεγγιστική σταθερά:

Ας εξετάσουμε τα δεδομένα για να διαπιστώσουμε αν κάτι τέτοιο ισχύει. a) Διερεύνηση δεδομένων: Σε μια εικόνα, αλλά σε διαφορετικά διαγράμματα, σχεδιάστε τις τιμές ύψους και βάρους και το λόγο βάρους προς ύψος. Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΑΣ ΕΔΩ:

Από τα διαγράμματα γίνεται αντιληπτό ότι τα δεδομένα ύψος και βάρος είναι στενά συσχετισμένα. π.χ γραμμικώς εξαρτημένα. Επομένως, θα πρέπει να υπάρχει ένα απλό στοιχείο πρόβλεψης όπως το Μέγεθος. Τώρα το ερώτημα γίνεται ποσοτικό: πώς θα υπολογιστεί αυτό το στοιχείο. Ως συνήθως υπάρχουν περισσότεροι από έναν τρόπο για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο. Μιά περίπτωση είναι να χρησιμοποιηθεί η SVD για να το υπολογίσει. Ας γράψουμε πάλι την εξίσωση (1) σε μορφή πίνακα: Έτσι, θα θέλαμε να βρούμε έναν διάνυσμα στήλης s και ένα διάνυσμα γραμμής v=[a,b] το οποίο θα παράγει την βέλτιστη δυνατή προσέγγιση πρώτου βαθμού του A. Αυτό ακριβώς κάνει η SVD! Ας το υπολογίσουμε.

b) Υπολογισμός της SVD: Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΑΣ ΕΔΩ: Παρατηρήστε ότι η πρώτη μοναδιαία τιμή είναι πολύ μεγαλύτερη από την δεύτερη, υποδεικνύοντας ότι η πρώτου βαθμού προσέγγιση είναι αρκετά ακριβής. c) Το πρωταρχικό στοιχείο: Συγκρίνοντας τις δύο παραπάνω ισότητες, είναι φανερό ότι το στοιχείο Μεγεθος είναι υπο κλίμακα, το πρώτο αριστερό μοναδιαίο διάνυσμα u. και οι αντίστοιχοι συντελεστές α και b είναι τα στοιχεία του πρώτου δεξιού μοναδιαίου διανύσματος v.

d) Η πρώτου βαθμού προσέγγιση: Δεδομένου του Μεγέθους και διανυσμάτων συντελεστών, μπορούμε να υπολογίσουμε τα προσεγγιστικά δεδομένα βάρος και ύψος. Υπολογίστε τα και σχεδιάστε (σε μια σχέδιο αλλά διαφορετικά διαγράμματα) τις προσεγγιστικές ποσότητες μαζί με τα αρχικά δεδομένα. Προσθέστε μια λεζάντα στα διαγράμματά σας. Σε ένα ξεχωριστό διάγραμμα σχεδιάστε επίσης της τιμές μεγέθους. Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΑΣ ΕΔΩ: