[ML] Dimension Reduction and Metric Learning

Low-Dimension Embedding

在高维情形下出现的数据样本稀疏、距离计算困难等问题,是所有ML算法共同面临的严重障碍,被称为curse of dimensionality。

Why dimension reduction works?
在很多时候,人们观测或收集到的数据样本虽是高维的,但与学习任务密切相关的也许仅仅是某个低维分布,即高维空间中的一个低维Embedding。

Multiple Dimensional Scaling

MDS算法的目标是获得样本在$d^{‘}$维空间的表示$Z\in \mathbb{R}^{d^{‘}\times m},d^{‘}\leq d$,且任意两个样本在$d^{‘}$维空间中的欧氏距离等于原始空间中的距离,即$||z_i - z_j||=dist_{ij}$。

令$B=Z^TZ\in \mathbb{R}^{m\times m}$,其中$B$为降维后样本的内积矩阵,$b_{ij}=z_i^Tz_j$,有
$$
dist_{ij}^2=||z_i||^2+||z_j||^2-2z_i^Tz_j=b_{ii}+b_{jj}-2b_ib_j
$$

令降维后的样本$Z$被中心化,即$\sum_{i=1}^mz_i=0$。显然,矩阵$B$的行和列之和均为0,易知:
$$
\sum_{i=1}^m dist_{ij}^2=tr(B)+mb_{jj} \\
\sum_{j=1}^m dist_{ij}^2=tr(B)+mb_{ii} \\
\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^m dist_{ij}^2=2tr(B)
$$

其中$tr(B)=\sum_{i=1}^m||z_i||^2$,令:
$$
dist_{i\cdot}^2=\frac{1}{m}\sum_{j=1}^m dist_{ij}^2 \\
dist_{\cdot j}^2=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m dist_{ij}^2 \\
dist_{\cdot \cdot}^2=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^m dist_{ij}^2 \\
$$

可得:
$$
b_{ij}=-\frac{1}{2}(dist_{ij}^2-dist_{i\cdot}^2-dist_{\cdot j}^2+dist_{\cdot \cdot}^2)
$$

由此即可通过降维前后保持不变的距离$D$求取内积矩阵$B$。

对矩阵$B$做特征值分解,$B=V\bigwedge V^T$,其中$\bigwedge=diag(\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_d)$为特征值构成的对角矩阵,$\lambda_1\geq \lambda_2\geq \cdots\geq \lambda_d$,$V$为特征向量矩阵。假定其中有$d^{\star}$个非零特征值,它们构成对角矩阵$\bigwedge_{\star}=diag(\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_{d^{\star}})$,另$V_{\star}$表示相应的特征向量矩阵,则$Z$可表达为:
$$
Z=\bigwedge_{\star}^{1/2}V_{\star}^T\in \mathbb{R}^{d^{\star}\times m}
$$

在现实应用中为了有效降维,往往仅需降维后的距离与原始空间中的距离 尽可能相近,而不必严格相等。此时可取$d^{‘}\ll d$个最大特征值构成对角矩阵$\tilde{\bigwedge}=diag(\lambda_1,\cdots,\lambda_{d^{‘}})$,另$\tilde{V}$表示相应的特征向量矩阵,则$Z$可表达为:
$$
Z=\tilde{\bigwedge}^{1/2}\tilde{V}^T\in \mathbb{R}^{d^{‘}\times m}
$$

PCA

假定数据进行了中心化,即$\sum_i x_i=0$;再假定投影变换后得到的新坐标系为$\{w_1,w_2,\cdots,w_d\}$,其中$w_i$是标准正交基向量,$||w_i||_2=1,w_i^Tw_j=0 (i\neq j)$。若丢弃新坐标系中的部分坐标,即将维度降低到$d^{‘}< d$,则样本点$x_i$在低维坐标系中的投影是$z_i=(z_{i1},z_{i2},\cdots,z_{id^{‘}})$,其中$z_{ij}=w_j^Tx_i$是$x_i$在低维坐标系下第$j$维的坐标。若基于$z_i$来重构$x_i$,则会得到$\hat{x}_i=\sum_{j=1}^{d^{‘}z_{ij}w_j}$。

$$
\min \limits_{W} -tr(W^TXX^TW) \quad s.t. W^TW=I
$$

样本点$x_i$在新空间中超平面上的投影是$W^Tx_i$,若所有样本点的投影能尽可能分开,则应使 投影后样本点的方差最大

即:
$$
\max \limits_{W} tr(W^TXX^TW) \quad s.t. W^TW=I
$$

对上式使用拉格朗日乘子法可得:
$$
XX^TW=\lambda W
$$

于是,只需对协方差矩阵$XX^T$进行特征值分解,将求得的特征值排序:$\lambda_1\geq \lambda_2\geq \cdots \lambda_d$,再取前$d^{‘}$个特征值对应的特征向量构成$W=(w_1,w_2,\cdots,w_{d^{‘}})$。这就是PCA的解。

降维会导致$d-d^{‘}$个特征值的特征向量被舍弃了,这样带来的好处是:一方面,舍弃这部分信息之后能使样本采样密度增大,这正是降维的重要动机;另一方面,当数据受到噪声影响时,最小的特征值所对应的特征向量往往与噪声有关,将它们舍弃能在一定程度上起到去噪的作用。

Kernel Linear Dimension Reduction

线性降维方法假设从高维空间到低维空间的函数映射是线性的,然而,在不少现实任务中,可能需要非线性映射才能找到恰当的低维嵌入。

非线性降维的一种常见方法是基于Kernel Tricks(读者若对SVM熟悉,此处自然不会陌生了,SVM在对线性不可分的情况下也是利用Kernel Tricks将原始空间映射到高维超平面再基于软间隔最大化去分类)对线性降维方法进行“核化”。

以Kernel PCA为例,假定我们将在高维空间中把数据投影到由$W$确定的超平面上,即PCA欲求解:
$$
(\sum_{i=1}^m z_iz_i^T)W=\lambda W
$$

其中$z_i$是样本点$x_i$在高维特征空间中的像,易知:
$$
W=\frac{1}{\lambda}(\sum_{i=1}^m z_iz_i^T)W=\sum_{i=1}^m z_i \frac{z_i^T W}{\lambda}=\sum_{i=1}^m z_i \alpha_i
$$
其中$\alpha_i=\frac{1}{\lambda}z_i^TW$,假定$z_i$是由原始属性空间中的样本点$x_i$通过映射$\phi$产生,即$z_i=\phi(x_i),i=1,2,\cdots,m$。若$\phi$能被显式表达出来,则通过它将样本映射至高维特征空间,再在特征空间中实施PCA即可。有:
$$
(\sum_{i=1}^m \phi(x_i)\phi(x_i)^T)W=\lambda W
$$

$$
W=\sum_{i=1}^m \phi(x_i) \alpha_i
$$

一般情况下,我们不清楚$\phi$的具体形式,于是引入核函数:
$$
\mathcal{k}(x_i,x_j)=\phi(x_i)^T\phi(x_j)
$$

化简可得:
$$
KA=\lambda A
$$
其中$K$为$\mathcal{k}$对应的核矩阵,$(K)_{ij}=\mathcal{k}(x_i,x_j), A=(\alpha_1;\alpha_2,\cdots,\alpha_m)$。显然,上式是特征值分解问题,取$K$最大的$d^{‘}$个特征值对应的特征向量即可。

对新样本$x$,其投影后的第$j (j=1,2,\cdots,d^{‘})$维坐标为:
$$
z_j=w_j^T\phi(x)=\sum_{i=1}^m \alpha_i^j \phi(x_i)^T \phi(x) = \sum_{i=1}^m \alpha_i^j \mathcal{k}(x_i, x)
$$
其中$\alpha_i$已经过规范化,$\alpha_i^j$是$\alpha_i$的第$j$个分量。

Manifold Learning

Manifold是在局部与欧式空间同胚的空间,换言之,它在局部具有欧式空间的性质,能用欧氏距离来进行距离计算。这给降维带来了很大的启发:若低维流形嵌入到高维空间中,则数据样本在高维空间的分布虽然看上去非常复杂,但在局部上仍具有欧式空间的性质。因此可以容易地在局部建立降维映射关系,然后再设法将局部映射关系推广到全局。

Isometric Mapping

Isomap认为低维流形嵌入到高维空间后,直接在高维空间计算直线距离具有误导性,因为高维空间中的直线距离在低维嵌入流形上是不可达的。

我们可利用流行在局部上与欧式空间同胚这个性质,对每一个点基于欧式距离找出其近邻点,然后就能建立一个近邻连接图,图中近邻点之间存在连接,而非近邻点之间不存在连接。于是,计算两点之间测地线距离问题就转换为计算近邻连接图上两点之间的最短路径问题。

对近邻图的构建通常有两种做法,一种是指定近邻点个数,例如欧氏距离最近的$k$个点为近邻点,这样得到的近邻图称为$k$近邻图;另一种是指定距离阈值$\epsilon$,距离小于$\epsilon$的点被认为是近邻点,这样得到的近邻图称为$\epsilon$近邻图。

Locally Linear Embedding (LLE)

与Isomap试图保持近邻样本之间的距离不同,LLE试图保持邻域内样本之间的线性关系。假定样本点$x_i$的坐标能通过它的近邻样本$x_j,x_k,x_l$的坐标通过线性组合而重构出来,即:
$$
x_i = w_{ij}x_j + w_{ik}x_k + w_{il}x_l
$$
LLE先为每个样本$x_i$找到其近邻下标集合$Q_i$,然后计算出基于$Q_i$中的样本点对$x_i$进行线性重构的系数$w_i$:
$$
\mathop{min} \limits_{w_1,w_2,\cdots,w_m} \sum_{i=1}^m ||x_i - \sum_{j\in Q_i} w_{ij}x_j||^2_2 \quad \sum_{j\in Q_i}w_{ij}=1
$$
其中$x_i$和$x_j$均为已知,令$C_{jk}=(x_i-x_j)^T(x_i-x_k)$,$w_{ij}$有close-form solution:
$$
w_{ij}=\frac{\sum_{k\in Q_i}C_{jk}^{-1}}{\sum_{l,s\in Q_i}C_{ls}^{-1}}
$$
LLE在低维空间中保持$w_i$不变,于是$x_i$对应的低维空间坐标$z_i$可通过下式求解:
$$
\mathop{min} \limits_{z_1,z_2,\cdots,z_m} \sum_{i=1}^m ||z_i-\sum_{j\in Q_i}w_{ij}z_j||_2^2
$$

令$Z=(z_1,z_2,\cdots,z_m)\in \mathbb{R}^{d^{‘}\times m}, (W)_{ij}=w_{ij}$,
$$
M=(I-W)^T(I-W)
$$
则有:
$$
\mathop{min} \limits_{Z} tr(ZMZ^T) \quad s.t. \quad ZZ^T=I
$$
可通过特征值分解求解:$M$最小的$d^{‘}$个特征值对应的特征向量组成的矩阵即为$Z^T$。

Metric Learning

Machine Learning中,对高维数据进行降维的目的是希望找到一个合适的低维空间,在此空间中进行学习能比原始空间性能更好。事实上,每个空间对应了在样本属性上定义的一个距离度量,而寻找合适的空间,实际上就是字寻找一个合适的距离度量。那么为何不直接尝试学习出一个合适的Distance Metric呢?这就是Metric Learning的idea。

对两个$d$维样本$x_i$和$x_j$,它们之间的$L_2$ Distance可表示为:
$$
dist_{ed}^2(x_i,x_j)=||x_i - x_j||_2^2=dist_{ij,1}^2+dist_{ij,2}^2+\cdots +dist_{ij,d}^2
$$
其中$dist_{ij,k}^2$表示$x_i$与$x_j$在第$k$维上的距离。若假定不同属性的重要性不同,则可引入权重$w$,得到:
$$
dist_{wed}^2(x_i,x_j)=||x_i - x_j||_2^2=w_1\cdot dist_{ij,1}^2+w_2\cdot dist_{ij,2}^2+\cdots +w_d\cdot dist_{ij,d}^2=(x_i-x_j)^TW(x_i-x_j)
$$
其中$w_i\geq 0, W=diag(w)$是一个对角矩阵,$(W)_{ii}=w_i$。

我们不仅可以将Error Rate这样的监督学习目标作为度量学习的优化目标,还能在度量学习中引入领域知识。例如,若已知某些样本相似、另一些样本不相似,则可定义must-link约束集合$\mathcal{M}$和cannot-link约束集合$\mathcal{C}$。$(x_i,x_j)\in \mathcal{M}$表示$x_i$与$x_j$相似,$(x_i,x_k)\in \mathcal{C}$表示$x_i$与$x_k$不相似。显然,我们希望相似的样本之间距离较小,不相似的样本之间距离较大。于是可通过求解下面的凸优化问题获得适当的度量矩阵:
$$
\mathop{min} \limits_{M} \quad \sum_{(x_i,x_j)\in \mathcal{M}} ||x_i-x_j||_M^2 \quad s.t. \quad \sum_{(x_i,x_k)\in \mathcal{C}}||x_i-x_k||_M^2\geq 1,M\succeq 0
$$
$M\succeq 0$表明M必须是半正定的。上式要求在不相似样本间的距离不小于1的前提下,使相似样本间的距离尽可能小。

若$M$是一个低秩矩阵,则通过对$M$进行特征分解,总能找到一组正交基,其正交基数目为矩阵$M$的秩$rank(M)$,小于原属性数$d$。于是,Metric Learning学得的结果可衍生出一个降维矩阵$P\in \mathbb{R}^{d\times rank(M)}$,能用于降维的目的

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