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方法Method

典型相关分析

Canonical correlation analysis · CCA

在两组变量中各选单位方差线性组合,使跨组相关最大;白化后问题化为交叉协方差的奇异值分解。

形式陈述 ​

两组变量分别描述同一批对象的不同方面,能否找到两组中最相互呼应的线性组合?设中心化随机向量 X∈Rp、Y∈Rq 有有限二阶矩,协方差分块为

Cov(XY)=(ΣXXΣXYΣYXΣYY),

且两个组内矩阵 ΣXX,ΣYY 正定。第一典型相关为

ρ1=maxa,baTΣXYb,aTΣXXa=bTΣYYb=1.

约束使 aTX 和 bTY 方差为一,所以目标就是它们的相关系数。后续典型对在各自组内与此前各典型变量不相关的条件下,继续最大化跨组相关。共有 m=min(p,q) 个典型相关,按

1≥ρ1≥⋯≥ρm≥0

排列。每对可选相对符号使相关非负;同时反转 a,b 不改变相关。这个总体定义不要求联合正态。

直觉

若直接最大化协方差,把某个变量的单位从米换成毫米就可能改变答案。单位方差约束先把尺度影响去掉,再问两个组合的起伏有多一致。

每组内部的相关还会导致重复计数。白化先把组内方向变成单位方差且彼此不相关,随后只剩下一个纯粹的跨组匹配问题。奇异值分解找出的第一对方向,是这个匹配最强的一对;后面的对在不重复前面组内信息的条件下继续匹配。

典型系数的正负、大小依赖变量尺度和坐标表示,典型相关却不随组内可逆线性换坐标而改变。解释时应同时看组合的含义,而不只看一个很大的相关数。

例子与边界

非对角协方差也能手工白化 ​

设标准化潜在变量 U=(U1,U2)T、V=(V1,V2)T 各有单位协方差,交叉协方差为 diag(0.8,0.3)。定义

X=(2011)U,Y=(1003)V.

于是

ΣXX=(4222),ΣYY=(1009),ΣXY=(1.600.80.9).

容易验证,X1/2 和 X2−X1/2 各方差为一且不相关;Y1 和 Y2/3 也是如此。跨组相关矩阵恰为对角矩阵。因此两个典型对为

(X1/2,Y1),(X2−X1/2,Y2/3),

对应典型相关 0.8 与 0.3。如果只查看原始 X2 与 Y2 的相关,会得到 0.9/2⋅9≈0.2121,没有去除 X2 中与第一方向重复的部分。

高维样本里的“完美相关”可能只是几何必然 ​

用 n 个样本估计 CCA 时,两组中心化数据的列空间都位于 Rn 的 n−1 维中心化子空间。若两组分别满列秩 p,q,且

p+q>n−1,

它们的列空间必有非零交集。因此存在非零样本得分向量同时写成 Xa 和 Yb,标准化后样本相关恰为一。

例如 n=6,p=q=3 时,两个三维列空间位于五维空间,至少共享一维。即使两组总体独立,样本第一典型相关也会被这种维数关系强迫为一。这不是发现了完美总体关系。

奇异与不唯一 ​

若组内协方差奇异,标准白化逆不存在,需要先限制到非退化支撑或明确采用正则化版本。若奇异值重复,对应典型方向只能确定到子空间旋转;系数的某一种数值写法不是唯一答案。

总体联合协方差只需半正定,因此允许典型相关为一,对应两个组共享某个几乎必然相同的线性分量。若整个联合协方差正定,则所有典型相关严格小于一。

推论与应用

白化把统计目标变成 SVD ​

利用正定矩阵的对称平方根,令

u=ΣXX1/2a,v=ΣYY1/2b,K=ΣXX−1/2ΣXYΣYY−1/2.

约束变成 ‖u‖=‖v‖=1,目标变成 uTKv。对

K=Pdiag(ρ1,…,ρm)QT

作奇异值分解,最大值就是第一奇异值,第一对系数为

a1=ΣXX−1/2p1,b1=ΣYY−1/2q1.

正交的后续奇异向量给出组内不相关的后续典型变量,并满足

Cov(aiTX,ajTX)=δij,Cov(biTY,bjTY)=δij,Cov(aiTX,bjTY)=ρiδij.

任何两个单位方差变量的相关都不超过一,故 K 的奇异值也不超过一。白化矩阵可以使用其他等价因子;不同白化之间只差正交变换,不改变奇异值。

特征值形式与数值含义 ​

消去 b 后,典型系数也满足

ΣXYΣYY−1ΣYXa=ρ2ΣXXa.

这是广义特征值问题,特征值是典型相关的平方。理论上它与白化 SVD 等价;在接近奇异的样本协方差下,显式求逆会放大误差,应使用合适分解并报告正则化假设,而非只输出一个相关值。

CCA 与 PCA 问的问题不同 ​

PCA在一组变量中寻找方差大的方向;CCA 在两个组之间寻找方差归一化后的高相关方向。某方向在两组中都只有很小方差,却可能非常一致,因而被 CCA 选中;这不代表它必然解释很多原始总方差。

实际分析应把拟合样本的典型相关与新样本表现分开。系数一旦用数据选出,再在同一数据上评价,就包含选择带来的乐观偏差。高维情形中的单位相关尤其需要独立验证或有依据的正则化,不能按事先固定的单个相关系数解释。

参考资料
关系图谱6 个相邻概念 · 3 类关系

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