京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
机器学习中的线性代数
线性代数作为数学中的一个重要的分支,广发应用在科学与工程中。掌握好线性代数对于理解和从事机器学习算法相关的工作是很有必要的,尤其是对于深度学习而言。因此,在开始介绍深度学习之前,先集中探讨一些必备的线性代数知识。
2.1 标量,向量,矩阵和张量
标量(scalar):一个标量就是一个单独的数。用斜体表示标量,如s∈R
.
向量(vector):一个向量是一列数,我们用粗体的小写名称表示向量。比如x
,将向量x
写成方括号包含的纵柱:
矩阵(matrix):矩阵是二维数组,我们通常赋予矩阵粗体大写变量名称,比如A。如果一个矩阵高度是m,宽度是n,那么说A∈Rm×n。一个矩阵可以表示如下:
张量(tensor):某些情况下,我们会讨论不止维坐标的数组。如果一组数组中的元素分布在若干维坐标的规则网络中,就将其称为张量。用A表示,如张量中坐标为(i,j,k)的元素记作Ai,j,k。
转置(transpose):矩阵的转置是以对角线为轴的镜像,这条从左上角到右下角的对角线称为主对角线(main diagonal)。将矩阵A
的转置表示为A⊤
。定义如下:
A=⎡⎣⎢x11x21x31x12x22x32⎤⎦⎥⟹A⊤=[x11x21x21x22x31x32]
2.2 矩阵和向量相乘
矩阵乘法是矩阵运算中最重要的操作之一。两个矩阵A
和B的矩阵乘积(matrix product)是第三个矩阵C。矩阵乘法中A的列必须和B的行数相同。即如果矩阵A的形状是m×n,矩阵B的形状是n×p,那么矩阵C的形状就是m×p
。即
具体的地,其中的乘法操作定义为
矩阵乘积服从分配律
矩阵乘积也服从结合律
注意:矩阵乘积没有交换律
点积(dot product)两个相同维数的向量x
和y的点积可看作是矩阵乘积x⊤y
矩阵乘积的转置
利用向量的乘积是标量,标量的转置是自身的事实,我们可以证明(10)式:
线性方程组
Ax=b
2.3 单位矩阵和逆矩阵
线性代数中提供了矩阵逆(matrix inverse)的工具,使得我们能够解析地求解(11)中的A
.
单位矩阵(identity matrix):任意向量与单位矩阵相乘都不会改变。我们将保持n
维向量不变地单位矩阵记作为In,形式上In∈Rn×n
,
矩阵A的矩阵逆被记作A−1,被定义为如下形式:
(11)式方程组的求解:
方程组的解取决于能否找到一个逆矩阵A−1。接下来讨论逆矩阵A−1的存在的条件。
2.4 线性相关和生成子空间
如果逆矩阵A−1
存在,那么(11)式肯定对于每一个向量b恰好存在一个解。分析方程有多少个解,我们可以看成是A
的列向量的线性组合(linear combination)。
形式上,某个集合中向量的线性组合,是指每个向量乘以对应系数之后的和,即
一组向量的生成空间(span)是原始向量线性组合后所能抵达的点的集合。
线性无关(linearly independent): 如果一组向量中的任意一个向量都不能表示成其他向量的线性组合,那么这组向量被称之为线性无关。
要想使矩阵可逆,首先必须矩阵是一个方阵(square),即m=n
,其次,所有的列向量都是线性无关的。
一个列向量线性相关的方阵被称为奇异的(singular)。
2.5 范数
有时候我们需要衡量一个向量的大小,在机器学习中,我们使用称为范数(norm)的函数来衡量矩阵大小,形式上,Lp
范数如下:
其中p∈R,p≥1。
范数是将向量映射到非负值的函数。直观上来说,向量x
的范数就是衡量从原点到x
的举例。更严格来说,范数满足下列性质的函数:
当p=2
时,L2被称作欧几里得范数(Euclidean norm)。它表示从原点出发到向量x确定的点的欧几里得距离。平方L2范数常被用来衡量向量的大小,因为它便于求导计算(如对向量中每个元素的导数只取决于对应的元素,但是它也有缺陷,即它在原点附近增长得十分缓慢),可以简单用点积x⊤x来计算。
max 范数(max norm):这个范数表示向量中具有最大幅度得元素的绝对值,用L∞
范数表示,期形式为:
x⊤y=||x||2||y||2cosθ
2.6 特殊类型的矩阵和向量
对角矩阵(diagonal matrix)只在主对角线上含有非零元素,其它位置都是零。矩阵D
是对角矩阵,当且仅当∀i≠j,Di,j=0,用diag(v)表示一个对角元素由向量v中元素给定的对角矩阵。
对称(symmetric) 矩阵是任意转置和自己相等的矩阵:
单位向量(unit vector)是具有单位范数(unit norm)的向量:
正交矩阵(orthonormal matrix)是指行向量是标准正交的,列向量是标准正交的方阵:
所以正交矩阵受到关注是因为求逆计算代价小。需要注意正交矩阵的定义。反直觉地,正交矩阵的行向量不仅是正交的,还是标准正交的。对于行向量或列向量互相正交但不是标准正交的矩阵没有对应的专有术语。
2.7 特征分解
许多数学对象可以通过将它们分解成多个组成部分,或者找到它们的一些属性而被更好地理解,这些属性是通用的,而不是由我们选择表示它们的方式引起的。就像我们可以通过分解质因数来发现一些关于整数的真实性质,我们也可以通过分解矩阵来获取一些矩阵表示成数组元素时不明显的函数性质。
特征分解(eigendecomposition)是使用最广的矩阵分解之一,即我们将矩阵分解成一组特征向量和特征值。
方阵A
的特征向量(eigenvector)是指与A相乘后相当于对该向量进行缩放的非零向量v:
如果v
是A的特征向量,那么任何放缩后的向量sv(s∈R,s≠0)也是A的特征向量并且其与\bf v 有相同的特征值。所以我们通常只考虑单位特征向量。
假设矩阵A
有n个线性无关的特征向量{v(1),v(2),...,v(n)},对应着的特征值{λ1,λ2,...,λn}不是每一个矩阵都可以分解成特征值和特征向量,在某些情况下,特征分解会涉及到复数,而非实数。在本书的机器学习学习中,我们只讨论一类简单分解的矩阵。具体就是,每个实对称矩阵都可以分解为实特征向量和实特征值:
2.8 迹运算
迹运算返回的是矩阵对角元素的和:
标量的迹是它本身:a=Tr(a)。
2.9 行列式
行列式,记作det(A)
,是一个将方阵A映射到实数的函数。行列式等于矩阵特征值的乘积。行列式的绝对值可以被认为是衡量矩阵相乘后空间扩大或者缩小了多少。如果行列式是0, 那么空间至少沿着某一维完全收缩了,使其失去了所有的体积。如果行列式是1, 那么矩阵相乘没有改变空间体积。
总结
以上是在机器学习过程中必须了解和掌握的有关线性代数的知识
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在MySQL数据库运维与开发实践中,经常出现一种典型现象:数据库实际存储的数据量很小,数据表条数少、文件体积低,但服务器整体 ...
2026-09-11 很多数据分析师能熟练计算均值、标准差,但当被问到“总体和样本有什么区别”“参数和统计量有什么关系”“数据级别的高低如 ...
2026-09-11CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 将同一时间段内因具备相同属性或共同经历的用户划分为群体,分析其留存与生命周期价值 ...
2026-09-11在零售、商超、餐饮、线下门店等实体商业运营中,客流与销售额是衡量门店经营状态的两大核心指标。销售额是门店经营的最终结果, ...
2026-09-10在数据可视化体系中,柱形图是最基础、应用最广泛的图表类型,其中**累计柱形图(堆积柱状图)**是兼顾整体总量与内部结构的核心 ...
2026-09-10 许多数据分析师精通Excel函数和SQL查询,但当面对一张上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区销量最高”“哪款产品增长最 ...
2026-09-10在Python Pandas数据分析中,DataFrame是承载结构化数据的核心载体,数据清洗、数据修正、条件赋值、字段更新等实操场景,都离不 ...
2026-09-09 很多数据分析师掌握了Excel函数、会写SQL查询,但当被问到“数据从哪里来”“数据加工有哪些步骤”“如何使用分析工具连接数 ...
2026-09-09卡方检验(Chi-Square Test)是统计学中针对分类数据的经典显著性检验方法,核心用于判断两个离散分类变量是否相互独立、数据实 ...
2026-09-09CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 1. 销售漏斗阶段判断 题目:销售漏斗模型中,通过广告、社交媒体等方式触达品牌信息(如浏览品 ...
2026-09-07在Python数据分析中,Pandas库的DataFrame是最核心、最常用的结构化数据表对象,类似于Excel的二维表格,具备规整的行列结构、字 ...
2026-09-07在数据分析、经营复盘、业绩预测与经济统计工作中,平均增速(平均增长率)是衡量数据长期变化趋势、业务发展快慢的核心指标。不 ...
2026-09-07 很多数据分析师精通Excel单元格操作,但当被问到“表结构数据的基本处理单位是什么”“字段和记录的本质区别”“为什么表结 ...
2026-09-07随着大数据技术的快速发展,商业竞争逐步从传统的经验式经营转变为数据驱动的精细化运营。海量的用户行为数据、交易数据、运营数 ...
2026-09-04CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 1. 波士顿矩阵(BCG Matrix) 定义: BCG于1970年提出的业务组合分析工具,以"市场增长率"(纵 ...
2026-09-04 数据分析师八成以上的时间在和数据表格打交道,但许多人拿到Excel后习惯性地先算、先分析,结果回头发现漏了一列关键数据, ...
2026-09-04数据透视表是Excel与Power BI中最核心的数据分析工具,具备快速汇总、维度拆分、动态筛选的能力,可高效完成数据归类与统计展示 ...
2026-09-03在Power BI数据分析可视化场景中,堆积柱状图+折线图是最常用的复合图表组合。堆积柱状图适合展示各细分维度当期数值、结构占比 ...
2026-09-03 很多数据分析师每天与Excel打交道,但当被问到“表格结构数据的基本处理单位是什么”“数据类型误判会引发哪些分析错误”“ ...
2026-09-03CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 一、8个核心数据清洗函数 1. TRIM:一键清除多余空格(最常用) 作用:仅保留文本中"单词/字 ...
2026-09-02