1 NMF介紹

????????NMF(Non-negative matrix factorization)，即對(duì)于任意給定的一個(gè)非負(fù)矩陣V，其能夠?qū)ふ业揭粋€(gè)非負(fù)矩陣W和一個(gè)非負(fù)矩陣H，滿足條件V=W*H,從而將一個(gè)非負(fù)的矩陣分解為左右兩個(gè)非負(fù)矩陣的乘積。

????????其中，V矩陣中每一列代表一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的信息(observation)，每一行代表一個(gè)特征(feature)；W矩陣稱為基矩陣，H矩陣稱為系數(shù)矩陣或權(quán)重矩陣。此時(shí)V矩陣的每一列，都相當(dāng)于基矩陣W的每一列對(duì)于H矩陣每一列的加權(quán)和。

????????這時(shí)用系數(shù)矩陣H代替原始矩陣，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始矩陣進(jìn)行降維，得到數(shù)據(jù)特征的降維矩陣，從而減少存儲(chǔ)空間。（H的每一個(gè)列向量可以看成矩陣V對(duì)應(yīng)的列向量，投影到基矩陣W的每一個(gè)列向量得到的坐標(biāo)）

?????????NMF本質(zhì)上說是一種矩陣分解的方法，它的特點(diǎn)是可以將一個(gè)大的非負(fù)矩陣分解為兩個(gè)小的非負(fù)矩陣，又因?yàn)榉纸夂蟮木仃囈彩欠秦?fù)的，所以也可以繼續(xù)分解。

????????非負(fù)矩陣分解的關(guān)鍵是“非負(fù)”，即原數(shù)據(jù)和新基底都必須是非負(fù)數(shù)，或者說位于“第一象限”，這樣原數(shù)據(jù)投影在新基底上的數(shù)值才自然也是非負(fù)數(shù)。

2 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言定義NMF

將矩陣分解問題轉(zhuǎn)換成兩個(gè)矩陣之間誤差最小化的問題

3 W和H的迭代公式

?????????采用的是迭代法，一步步逼近最終的結(jié)果，當(dāng)計(jì)算得到的兩個(gè)矩陣W和H收斂時(shí)，就說明分解成功。

????????需要注意的是，原矩陣和分解之后兩個(gè)矩陣的乘積并不要求完全相等，可以存在一定程度上的誤差。

?4 NMF的損失函數(shù)

4.0 naive form

用 矩陣表示，則是：

4.1?squared frobenius norm

?

?4.2 KL散度

X,Y分別是原矩陣和WH的乘積結(jié)果

4.3??Itakura-Saito (IS)

?5 NMF應(yīng)用舉例

5.1：文本主題模型

假設(shè)我們輸入有m個(gè)詞，n個(gè)文本。Aij對(duì)應(yīng)的是第i個(gè)詞在第j個(gè)文本的特征值。

經(jīng)過NMF分解后，Wik對(duì)應(yīng)的是第i個(gè)詞和第k個(gè)“主題”的概率相關(guān)度；Hkj對(duì)應(yīng)的是第j個(gè)文本和第k個(gè)“主題”的概率相關(guān)度

5.2 圖像處理

?6 NMF的不足

????????NMF作為一個(gè)漂亮的矩陣分解方法，它可以很好的用于主題模型，并且使主題的結(jié)果有基于概率分布的解釋性。

????????但是NMF只能對(duì)訓(xùn)練樣本中的文本進(jìn)行主題識(shí)別，而對(duì)不在樣本中的文本識(shí)別不一定很準(zhǔn)確。

文本主題模型之非負(fù)矩陣分解(NMF) - 劉建平Pinard - 博客園 (cnblogs.com)?

7 NMF的實(shí)現(xiàn)（sklearn）

#導(dǎo)入庫(kù) from sklearn.decomposition import NMF import numpy as npX = np.array([[1, 1], [2, 1], [3, 1.2], [4, 1], [5, 0.8], [6, 1]])#定義NMF模型 model = NMF(n_components=2, #分解的稠密矩陣中k的大小beta_loss='frobenius', # {'frobenius', 'kullback-leibler', 'itakura-saito'}#對(duì)應(yīng)的是前面說的1~3三種損失函數(shù)# 一般來說，默認(rèn)使用naive的損失函數(shù)（'frobenius'，同時(shí)alpha默認(rèn)為0）tol=1e-4, # 停止迭代的極限條件init='random',# W H 的初始化方法max_iter=200, # 最大迭代次數(shù)l1_ratio=0., # L1正則化比例alpha=0., # 正則化參數(shù)random_state=0)#打印model 構(gòu)造函數(shù)各參數(shù) print(model.get_params()) ''' {'alpha': 0.0, 'beta_loss': 'frobenius', 'init': 'random', 'l1_ratio': 0.0, 'max_iter': 200, 'n_components': 2, 'random_state': 0, 'shuffle': False, 'solver': 'cd', 'tol': 0.0001, 'verbose': 0} '''W = model.fit_transform(X) #相當(dāng)于model.fit(X) 和 W=model.transform(X) 兩步 H = model.components_print(W,'\n',H,'\n',model.n_iter_,'\n',model.reconstruction_err_) ''' [[0. 0.46880684][0.55699523 0.3894146 ][1.00331638 0.41925352][1.6733999 0.22926926][2.34349311 0.03927954][2.78981512 0.06911798]][[2.09783018 0.30560234][2.13443044 2.13171694]]30 0.0011599349216014024 '''

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的机器学习笔记：非负矩阵分解问题 NMF的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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