LDA算法原理

问题

线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）是机器学习中常用的降维方法之一，本文旨在介绍LDA算法的思想，其数学推导过程可能会稍作简化。

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LDA的思想

● LDA是一种线性的、有监督的降维方法，即每个样本都有对应的类别标签（这点和PCA不同）。

● 主要思想：给定训练样本集，设法将样本投影到一条直线上，使得同类的样本的投影尽可能的接近、异类样本的投影尽可能地远离（即最小化类内距离和最大化类间距离）。

下面分别通过《机器学习》和《百面机器学习》两本书中的图片先来直观地理解一下LDA的思想。

● 为什么要将最大化类间距离和最小化类内距离同时作为优化目标呢？

先看上面第二张图的左图（a），对于两个类别，只采用了最大化类间距离，其结果中两类样本会有少许重叠；而对于右图（b），同时最大化类间距离和最小化类内距离，可见分类效果更好，同类样本的投影分布更加集中了。当然，对于二维的数据，可以采用将样本投影到直线上的方式，对于高维的数据，则是投影到一个低维的超平面上，这应该很好理解。

LDA算法优化目标

由上面的介绍我们知道，LDA算法的思想就是最大化类间距离和最小化类内距离，其优化目标就很直观了，那怎么用数学方式来表示呢？要解决这个问题，就得先看看怎么描述类间距离和类内距离。

● 类间距离（以二分类为示例）

假设有$C_1$、$C_2$两类样本，其均值分别为 ${\mu }_1=\frac{1}{N}{\sum }_{x\in C_1}x$ 和 ${\mu }_2=\frac{1}{N}{\sum }_{x\in C_2}x$ 。很显然，要使得两类样本类间距离最大，则 ${\mu }_1$ 、${\mu }_2$ 的距离应尽可能地大，则类间距离可描述为
$$||{\omega }^T{\mu }_0-{\omega }^T{\mu }_1|{|}_2^2,其中，\omega 为投影方向$$
● 类内距离

要使得样本在同类中距离最小，也就是最小化同类样本的方差，假设分别用 $D_1$、 $D_2$ 表示两类样本的投影方差，则有：
$$\begin{gathered} D_1=\sum _{x\in C_1}({\omega }^{T}x-{\omega }^T{\mu }_1{)}^2=\sum _{x\in C_1}{\omega }^T(x-{\mu }_1)(x-{\mu }_1{)}^T\omega \\ {D}_2=\sum _{x\in C_2}({\omega }^{T}x-{\omega }^T{\mu }_2{)}^2=\sum _{x\in C_2}{\omega }^T(x-{\mu }_2)(x-{\mu }_2{)}^T\omega \end{gathered}$$
因此，要使得类内距离最小，就是要最小化 $D_1+D_2$。

● 优化目标

由上面分析，最大化类间距离和最小化类内距离，因此可以得到最大化目标：
$$\begin{gathered} J(\omega )=\frac{||{\omega }^T{\mu }_0-{\omega }^T{\mu }_1|{|}_2^2}{D_1+D_2} \\ =\frac{||{\omega }^T{\mu }_0-{\omega }^T{\mu }_1|{|}_2^2}{{\sum }_{x\in C_i}{\omega }^T(x-{\mu }_i)(x-{\mu }_i{)}^T\omega } \end{gathered}$$
为了化简上面公式，给出几个定义：

● 类间散度矩阵：
$$S_b=({\mu }_1-{\mu }_2)({\mu }_1-{\mu }_2{)}^T$$
● 类内散度矩阵：
$$S_{\omega }={\Sigma }_1+{\Sigma }_2=\sum _{x\in C_1}(x-{\mu }_1)(x-{\mu }_1{)}^T+\sum _{x\in C_2}(x-{\mu }_2)(x-{\mu }_2{)}^T$$
因此最大化目标可以简写为：
$$J(\omega )=\frac{{\omega }^T{S}_b\omega }{{\omega }^T{S}_{\omega }\omega }$$

这是一个广义瑞利商，可以对矩阵进行标准化操作（具体证明就不展开啦），因此，通过标准化后总可以得到 ${\omega }^T{S}_{\omega }\omega =1$，又由于上面优化目标函数分子分母都是二次项，其解与 $\omega$ 的长度无关，只与方向有关，因此上面优化目标等价于以下最小化目标：

转化为最小化目标：
$$\begin{gathered} \underset{\omega }{\min }-{\omega }^T{S}_b\omega \\ s.t.{\omega }^T{S}_{\omega }\omega =1 \end{gathered}$$
由拉格朗日法，上式可得：
$$\begin{gathered} S_b\omega =\lambda S_{\omega }\omega \\ 即有，S_{\omega }^{-1}{S}_b\omega =\lambda \omega \end{gathered}$$
至此，我们的优化目标就转化成了求矩阵 $S_{\omega }^{-1}{S}_b$ 的特征值，而投影方向就是这个特征值对应的特征向量。

由于 $({\mu }_1-{\mu }_2{)}^T\omega$ 是个标量（因为 ${\mu }_1-{\mu }_2$ 和 $\omega$ 同向时才能保证类间距离最大），

所以，对于 $S_b\omega =({\mu }_1-{\mu }_2)({\mu }_1-{\mu }_2{)}^T\omega$ 而言，可以看出 $S_b\omega$ 始终与 $({\mu }_1-{\mu }_2)$ 的方向一致

因此，如果只考虑 $\omega$ 的长度而不考虑方向，则由：
$$S_{\omega }^{-1}{S}_b\omega =\lambda \omega =>\omega =S_{\omega }^{-1}({\mu }_1-{\mu }_2)$$
也就是说，我们只需求出样本的均值和类内的散度矩阵（即类内方差），即可求出投影方向。

LDA算法流程(推广至高维)

1.计算每类样本的均值向量 ${\mu }_i$。

2.计算类间散度矩阵 $S_{\omega }$ 和类内散度矩阵 $S_b$ 。

3.求矩阵 $S_{\omega }^{-1}{S}_b$ 的特征值即对应的特征向量，从大到小排序。

4.将特征值由大到小排列，取出前 k 个特征值对应的特征向量。

5.将 n 维样本映射到 k 维，实现降维处理。
$$x_i^{{}^{\prime }}=\left[\begin{array}{c}{\omega }_1^T{x}_i\\ {\omega }_2^T{x}_i\\ ⋮\\ {\omega }_k^T{x}_i\end{array}\right]$$

总结

● LDA是线性的、有监督的降维方法，其优点是善于对有类别信息的数据进行降维处理（与PCA的不同）。

● LDA因为是线性模型，对噪声的鲁棒性较好，但由于模型简单，对数据特征的表达能力不足。

● LDA对数据的分布做了一些很强的假设，比如每个类别都是高斯分布、各个类别的协方差相等，实际中这些假设很难完全满足。

关于LDA与PCA的区别，请看下回分解。

参考资料

周志华《机器学习》

葫芦娃《百面机器学习》