t-SNE（t-分布随机邻居嵌入）详解

t-SNE（t-分布随机邻居嵌入）详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_67075116/article/details/145556576

t-SNE（t-分布随机邻居嵌入，t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding）是一种降维与可视化技术，用于将高维数据投影到低维（通常是 2D 或 3D），以便人类可以更直观地观察数据的结构和聚类情况。
它主要用于高维数据的可视化，特别适用于数据集的探索、聚类分析，在机器学习、计算机视觉、自然语言处理（NLP）、生物信息学等领域有广泛应用。

1. t-SNE 的基本概念

t-SNE 是非线性降维算法，它的核心思想是：

• 在高维空间中，计算数据点之间的相似度（概率分布）。
• 在低维空间中，寻找新的坐标，使得数据点的相对相似性尽量与高维空间保持一致。
  与PCA（主成分分析）相比：
• PCA主要保留全局结构，适用于线性降维。
• t-SNE主要保留局部结构，更适合可视化高维数据中的聚类模式。

2. t-SNE 的工作原理

t-SNE 通过以下几个步骤来降维：

1. 计算高维数据点之间的相似度（概率分布）

• 使用高斯分布计算数据点
  
  和
  之间的相似性：
• 这个公式的核心思想是：如果
  和
  在高维空间中很接近，则它们的相似度
  也会很高。

2. 在低维空间初始化数据点

• 在2D 或 3D 空间初始化数据点
  
  ，并使用t-分布（t-Distribution）计算低维空间的相似度：
• 这里使用t-分布代替高斯分布，因为t-分布的长尾性使得低维数据可以更好地分开。

3. 最小化 KL 散度（Kullback-Leibler Divergence, KL 散度）

• t-SNE 的目标是让高维空间的相似性（p 分布）和低维空间的相似性（q 分布）尽可能相同。
• 通过梯度下降最小化 KL 散度：
• 这保证了低维数据能够最大程度地保留高维数据的结构。

3. t-SNE 的应用

t-SNE 主要用于高维数据可视化，帮助理解数据的分布和聚类情况。以下是几个典型的应用场景：

（1）图像数据降维

• 在计算机视觉领域，图像通常具有上千维的特征向量（如 CNN 提取的特征）。
• t-SNE 可以将这些高维特征映射到2D/3D空间，使不同类别的图像更易分辨。
• 示例：用 t-SNE 处理MNIST 数据集（手写数字分类），可以看到不同数字的分布情况。

（2）自然语言处理（NLP）

• t-SNE 可用于单词嵌入（Word Embeddings）可视化，比如：
• Word2Vec
• GloVe
• BERT 词向量
• 它可以帮助研究者理解单词之间的语义关系，如“国王”（king）和“皇后”（queen）在 t-SNE 映射后可能接近。

（3）基因表达数据分析

• 在生物信息学中，基因表达数据通常有数万维特征，难以直观分析。
• t-SNE 可用于基因分型、疾病分类、癌症细胞聚类等任务，使科学家更容易发现模式。

（4）市场和客户分析

• 在电子商务和市场分析中，t-SNE 可以帮助理解客户的行为模式，将不同类型的消费者聚类。

4. t-SNE 与其他降维方法的比较

5. t-SNE 代码示例

我们可以使用scikit-learn库来实现 t-SNE，将MNIST（手写数字）数据降维并可视化。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.manifold import TSNE
from sklearn.datasets import load_digits

# 加载手写数字数据集（64 维）
digits = load_digits()
X = digits.data
y = digits.target

# 使用 t-SNE 降维到 2 维
tsne = TSNE(n_components=2, perplexity=30, learning_rate=200, random_state=42)
X_tsne = tsne.fit_transform(X)

# 画出降维后的 2D 数据
plt.figure(figsize=(8, 6))
scatter = plt.scatter(X_tsne[:, 0], X_tsne[:, 1], c=y, cmap='jet', alpha=0.7)
plt.colorbar(scatter, label='Digit Label')
plt.xlabel('t-SNE Component 1')
plt.ylabel('t-SNE Component 2')
plt.title('t-SNE Visualization of MNIST Digits')
plt.show()

结果

• 手写数字（0-9）被映射到了 2D 平面，不同类别的数字被聚类到不同的区域。
• 可以直观地看到数据的分类情况，发现某些数字可能存在重叠或误分类。

6. t-SNE 的缺点

尽管 t-SNE 适用于数据可视化，但它也有一些局限性：

1. 计算成本高：t-SNE 计算量较大，特别是当数据量较多时，运行速度慢。
2. 不能直接用于新数据：t-SNE 是无监督学习，每次运行可能得到不同的结果，不能像 PCA 一样用于新数据的降维。
3. 参数敏感：

• perplexity（困惑度）：控制局部 vs. 全局结构的权衡，通常在 5-50 之间调整。
• 学习率（learning rate）：太小可能收敛慢，太大可能导致数据点塌缩。

7. 总结

• t-SNE是一种非线性降维算法，用于可视化高维数据，特别适用于数据探索和聚类分析。
• 它通过t-分布计算数据点的相似性，并优化低维嵌入，使得数据在低维空间中尽可能保持原有的邻近关系。
• t-SNE 适用于图像、NLP、基因数据分析等场景，能有效展示数据的内在结构。
• 主要缺点是计算成本较高，对参数（如 perplexity）的调整较敏感，不能直接用于新数据的降维。

什么时候用 t-SNE？

如果你的目标是可视化高维数据并理解数据的分布和聚类情况，t-SNE 是一个很好的选择！