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Máster y doctorado

Geometría de datos y variedades latentes

Una observación puede tener muchas coordenadas y aun seguir una estructura sencilla. Pero “sencilla” puede significar una recta, una superficie curva o algo útil para una tarea concreta. Construiremos PCA con una nube pequeña y compararemos su dimensión lineal con la dimensión local de un círculo.

1. Las unidades y la tarea influyen en qué geometría resulta útil

Representamos cada observación como x∈Rᵈ.

La distancia euclídea compara coordenadas en la escala elegida. Cambiar metros por milímetros sin compensar la métrica puede cambiar vecinos y direcciones de mayor variación.

PCA busca variación, sin usar etiquetas de una tarea predictiva. Una dirección que varía poco puede contener la información decisiva para una etiqueta. Reducir dimensión se evalúa con un objetivo, no solo con un dibujo atractivo.

Cambiar una unidad cambia la dirección principal

Cuatro puntos: (±2,0) y (0,±1).

  1. Variaciones

    Con media cero, la covarianza es diag(2,1/2). La dirección horizontal varía más.

  2. Nueva escala

    Multiplica la segunda coordenada por diez: covarianza diag(2,50).

  3. Resultado

    Ahora la dirección vertical domina, aunque sean las mismas observaciones con otra unidad.

Resultado

Escalar no es una operación geométricamente neutra.

Lo comprobamos

Estandarizar puede ayudar con unidades distintas, pero también cambia la pregunta.

Mucha varianza puede perder toda una etiqueta

Cuatro puntos (±100,±1), todas las combinaciones, y etiqueta dada por el signo de la segunda coordenada.

  1. Covarianza

    Es diag(10000,1).

  2. PCA de una dimensión

    Conserva la coordenada horizontal y explica 10000/10001 de la varianza.

  3. Etiqueta

    Para cada horizontal hay un punto de cada etiqueta: esa proyección no las distingue.

Resultado

Un porcentaje muy alto no garantiza utilidad predictiva.

Lo comprobamos

La información de la etiqueta estaba en la dirección de menor varianza.

2. Centrar separa el lugar de la nube de sus fluctuaciones

Calculamos \mu=n^{-1}\sum_i x_i y z_{i}=x_{i}−μ.
Usaremos C=n^{-1}\sum_i z_iz_i^T.

Cada producto z_{iz}_iᵀ registra variaciones y covariaciones respecto al centro.

La covarianza muestral con 1/(n−1) multiplica esta C por n/(n−1) si n>1. No cambia autovectores ni proporciones de varianza. Estandarizar cada coordenada, en cambio, es otra transformación y puede cambiar las direcciones.

Una nube desplazada

Puntos (8,0), (12,0), (10,1), (10,−1).

  1. Centro

    μ=(10,0).
  2. Restar

    Los centrados son (−2,0),(2,0),(0,1),(0,−1).

  3. Matriz

    C=diag(2,1/2).

    El segundo momento sin centrar sería diag(102,1/2).

Resultado

La distancia de la media al origen no debe confundirse con dispersión alrededor de ella.

Lo comprobamos

La covarianza suma productos de datos centrados.

Cambiar solo el divisor

n=4 y C=diag(2,1/2).

  1. Factor

    n/(n−1)=4/3.
  2. Otra convención

    C_{muestral}=diag(8/3,2/3).
  3. Proporción

    Primera componente: (8/3)/(10/3)=4/5, igual que 2/(5/2).
Resultado

Las escalas absolutas cambian, las proporciones no.

Lo comprobamos

Se declara la convención antes de comparar errores absolutos.

3. PCA maximiza la varianza de una proyección unitaria

Para una dirección w con ‖w‖=1, la coordenada proyectada de z es wᵀz y su varianza es wᵀCw. C es simétrica semidefinida positiva. Si sus autovalores se ordenan \lambda_1\ge\cdots\ge\lambda_d\ge0, el máximo es λ₁.

Proyección y error se comprueban sobre los mismos puntos
PCA: conservar una direcciónPuntos centrados en (0,0)w₁(1,−1)(−1,1)Autovalores: 4 y 1Retiene 4/5 de la varianza.Error medio: (0+0+2+2)/4=1
Nube de cuatro puntos centrados, dos dos, menos dos menos dos, uno menos uno y menos uno uno, con ejes de igual escala. La primera componente es la diagonal ascendente, vector uno uno sobre raíz de dos, con autovalor cuatro. Los puntos diagonales se proyectan sobre sí mismos. Los otros dos se proyectan al origen y las líneas rojas muestran su error perpendicular, de módulo raíz de dos cada uno. El error cuadrático medio es uno y coincide con el autovalor descartado. El otro autovalor es uno y la fracción retenida cuatro quintos. El dibujo explica proyección lineal, no certifica dimensión intrínseca de un generador desconocido.

Escribiendo w en una base ortonormal de autovectores, wᵀCw es una suma de \lambda_j por coeficientes cuadrados que suman uno: no supera λ₁. Las siguientes direcciones se eligen con ortogonalidad. Un signo invertido no cambia la recta principal.

Una nube inclinada

Puntos (2,2),(−2,−2),(1,−1),(−1,1), con media cero.

  1. Covarianza

    C=\begin{pmatrix}5/2&3/2\\3/2&5/2\end{pmatrix}.
  2. Direcciones

    w₁=(1,1)/√2 y w₂=(1,−1)/√2 son ortonormales.
  3. Comprobar

    Cw₁=4w₁ y Cw₂=w₂: varianzas cuatro y uno.
Resultado

La dirección principal sigue la diagonal ascendente.

Lo comprobamos

Los vectores sin dividir por √2 no serían unitarios.

Autovalores repetidos

C=(1/2)I en dos dimensiones.

  1. Cualquier unidad

    wᵀCw=(1/2)‖w‖²=1/2.
  2. Máximo

    Todas las direcciones unitarias empatan.

  3. No unicidad

    Una salida del algoritmo no certifica una dirección geométrica preferida.

Resultado

La base elegida dentro de un autoespacio repetido no es única.

Lo comprobamos

La varianza total sí está bien definida.

4. El porcentaje explicado exige un total positivo

La varianza total es tr C, suma de autovalores. Con total positivo, retener k explica (\lambda_1+\cdots+\lambda_k)/\operatorname{tr}C. Una contribución absoluta y un porcentaje son cantidades diferentes.

Si todos los puntos coinciden, C=0.

El cociente sería 0/0 y no está definido. Un umbral de porcentaje resume reducción lineal; no prueba una dimensión intrínseca exacta del proceso que produjo los datos.

Leer los autovalores de la nube inclinada

λ₁=4 y λ₂=1.

  1. Total

    4+1=5.
  2. Primera

    4/5=80 %.
  3. Ambas

    (4+1)/5=100 %.
Resultado

El porcentaje se refiere a esta escala y a esta nube.

Lo comprobamos

Retener 80 % no significa conservar exactamente 80 % de cada observación.

Un dato repetido muchas veces

Todos los x_{i} son (7,−2).

  1. Centro

    También es (7,−2).

  2. Centrados

    Todos son cero: C=0.
  3. Porcentaje

    No dividimos entre cero; no hay varianza que repartir.

Resultado

Se informa ausencia de variación, no un porcentaje inventado.

Lo comprobamos

Cambiar el número de copias no crea dispersión.

5. La reconstrucción principal minimiza un error lineal concreto

Con columnas ortonormales W_{k}, la coordenada reducida es W_k^T(x-\mu) y la reconstrucción \mu+W_kW_k^T(x-\mu). PCA minimiza el error cuadrático medio entre subespacios lineales de dimensión k de los datos centrados.

Con nuestra C normalizada por 1/n, ese error medio es la suma de los autovalores descartados. Para otro divisor se convierte la escala. La optimalidad no asegura conservar todas las distancias ni encontrar el mejor modelo no lineal.

Proyectar y medir lo perdido

La nube inclinada y w₁=(1,1)/√2.

  1. Puntos diagonales

    (2,2) y (−2,−2) ya están en la recta: error cero.

  2. Otros dos

    (1,−1) y (−1,1) tienen producto cero con w₁; se reconstruyen como (0,0) y su error cuadrado es dos cada uno.

  3. Promedio

    (0+0+2+2)/4=1, el autovalor descartado.
Resultado

La fórmula del error se comprueba con las cuatro observaciones.

Lo comprobamos

Los dos puntos diferentes pueden compartir la misma coordenada reducida.

Comparar otra recta

Proyecta esa misma nube sobre el eje horizontal.

  1. Error

    Es la media de las coordenadas verticales al cuadrado.

  2. Calcular

    (4+4+1+1)/4=5/2.
  3. PCA

    El error uno de la diagonal es menor; en general error=tr C−wᵀCw.

Resultado

Maximizar varianza retenida equivale a minimizar este error.

Lo comprobamos

Se mantiene la misma nube, distancia y normalización para comparar.

6. Una variedad curva puede necesitar pocas coordenadas locales

Una variedad regular de dimensión m se parece localmente a un abierto de Rᵐ. Puede estar dentro de Rᵈ con m<d y curvarse. “Local” no significa que un único plano o una sola carta describa todo el objeto.

El círculo S¹⊂R² tiene una coordenada local; la esfera S²⊂R³ tiene dos. Un salto angular o un polo de coordenadas puede ser un problema de representación y no una singularidad de la figura.

Un parámetro para moverse por un círculo

x²+y²=1.

  1. Parametrizar

    (x,y)=(cosθ,sinθ).
  2. Cerca de un punto

    Un intervalo angular pequeño recorre un arco sin repetir puntos.

  3. Todo el círculo

    θ y θ+2π representan lo mismo: hay periodicidad y no una coordenada real global sin identificación.

Resultado

Dimensión intrínseca uno y ambiente dos.

Lo comprobamos

El círculo no es un subespacio lineal de dimensión uno.

Dos coordenadas cerca del polo de una esfera

x²+y²+z²=1, cerca de (0,0,1).

  1. Elegir

    x e y pequeños son dos coordenadas.

  2. Recuperar

    z=√(1−x²−y²), con rama positiva.
  3. Regularidad

    El polo no es singular aunque la longitud geográfica allí no esté definida.

Resultado

La carta local evita confundir una coordenada fallida con una superficie rota.

Lo comprobamos

Esta rama sola no cubre toda la esfera.

7. Rango, dimensión intrínseca y cantidad de datos no coinciden

El rango de C mide la dimensión del subespacio lineal generado por los centrados. Una curva puede necesitar varias direcciones lineales globales. Por eso el rango no es automáticamente su dimensión intrínseca.

Un círculo unidimensional puede dar covarianza de rango dos
Curva y rango son distintosIntrínseca 1; ambiente 2.Cuatro puntos: C=(1/2)IRango 2 ≠ dimensión de la curva 1.
Círculo unitario dibujado con igual escala en los dos ejes y sus cuatro puntos cardinales en verde. Un arco local rojo se recorre con un solo ángulo; la dimensión intrínseca del círculo es uno y el ambiente tiene dimensión dos. La media de los cuatro puntos es cero y su covarianza con divisor cuatro es la identidad por un medio, de rango dos. No hay una única recta global que contenga el círculo. Los cuatro datos son compatibles con ese círculo, pero no bastan para demostrar que ese fue el proceso real que los generó. La curva completa se dibuja como modelo de comparación, no inferida con certeza de cuatro muestras.

Con n observaciones centradas, la suma de los z_{i} es cero y el rango no supera min(d,n−1). Con datos finitos y ruido hacen falta supuestos de muestreo y escala para inferir una geometría subyacente; una nube pequeña admite modelos distintos.

Círculo con covarianza de rango dos

Puntos (1,0),(0,1),(−1,0),(0,−1).

  1. Covarianza

    La media es cero y C=(1/2)I.
  2. Rango

    Sus dos autovalores son positivos: rango dos.

  3. Origen geométrico

    Todos están en un círculo de dimensión intrínseca uno.

Resultado

Una PCA global no vuelve recta una curva cerrada.

Lo comprobamos

Estos cuatro datos solos no demuestran que el generador real sea ese círculo.

Tres observaciones no dan cien direcciones independientes

n=3 observaciones de R¹⁰⁰.

  1. Centrar

    z₁+z₂+z₃=0, así z₃=−z₁−z₂.
  2. Subespacio

    Los tres vectores están generados por como máximo dos direcciones.

  3. Rango

    C tiene rango a lo sumo dos, aunque el proceso desconocido pueda variar en muchas direcciones.

Resultado

Pocos autovalores no nulos pueden reflejar solo la escasez de datos.

Lo comprobamos

No se certifica una variedad bidimensional del proceso con este conteo.

8. Las vecindades y el mapa latente pueden introducir atajos o pérdidas

Métodos no lineales pueden construir grafos de vecinos para aproximar geometría local. Una escala demasiado pequeña desconecta; una grande puede unir puntos cercanos en el ambiente pero alejados sobre la estructura. Métrica y ruido influyen en qué conexiones tienen sentido.

La visualización puede distorsionar distancias y densidades. Se comprueban reconstrucción, sensibilidad a parámetros y utilidad para una tarea. Una “variedad latente” es un modelo con hipótesis, no una certificación obtenida al comprimir a dos coordenadas.

Elegir vecinos en cuatro puntos del círculo

Usa los cuatro puntos cardinales.

  1. Distancias

    Adyacentes: √2; opuestos: dos.

  2. Umbrales

    Con r=1 no hay aristas.
    Con r=3/2 aparece un ciclo.

    Con r=2 todas las parejas quedan conectadas.

  3. Atajo

    El camino entre opuestos mide 2√2 en el ciclo y dos en el grafo completo; el arco semicircular real mide π.

Resultado

Cambiar vecindad cambia la distancia que aproxima el grafo.

Lo comprobamos

Ninguno de esos grafos finitos reproduce exactamente todos los arcos.

Una coordenada que identifica puntos distintos

Proyecta el círculo sobre la coordenada x=cosθ.

  1. Dos ángulos

    θ y −θ tienen el mismo coseno.

  2. Ejemplo

    (0,1) y (0,−1) se comprimen ambos a cero.

  3. Reconstruir

    Sin información adicional no se sabe cuál era el punto.

Resultado

Baja dimensión del objeto no garantiza que cualquier proyección de esa dimensión sea invertible.

Lo comprobamos

Una coordenada periódica o varias cartas pueden representar otra geometría.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Varianza explicada

Con autovalores 9,3,0, calcula la fracción explicada por la primera componente.

  1. Datos

    Autovalores nueve, tres y cero.

  2. Total

    9+3+0=12.
  3. Primera

    Retiene una contribución nueve.

  4. Cociente

    9/12=3/4.
  5. Porcentaje

    La fracción explicada es 75 %.

  6. Comprobar

    El total es positivo y el autovalor cero no añade varianza.

Resultado

Explica el 75 %.

Lo comprobamos

El autovalor cero no añade variación.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dimensión de un círculo

Compara dimensiones intrínseca y ambiente de S¹⊂R².

  1. Objeto

    S¹ es el círculo unitario.

  2. Ambiente

    Sus puntos se escriben con dos coordenadas de R².

  3. Local

    Un arco se recorre con un parámetro angular.

  4. Dimensión

    Intrínseca uno y ambiente dos.

  5. Global

    El ángulo requiere periodicidad o varias cartas.

  6. Comprobar

    No es una recta ni un subespacio lineal unidimensional.

Resultado

Intrínseca 1 y ambiente 2.

Lo comprobamos

El círculo completo no es un subespacio lineal unidimensional.

Los símbolos que hemos usado

Dimensión ambiente d
Número de coordenadas con las que se representan los datos.
Media μ
Centro aritmético de la nube.
Covarianza C
Matriz que resume variación conjunta alrededor de la media.
Componente principal
Dirección propia de C ordenada por varianza.
Dimensión intrínseca
Número local de coordenadas necesarias para describir una estructura regular.
Variedad latente
Modelo geométrico de una estructura de menor dimensión que genera o aproxima los datos.
Varianza explicada
Proporción de la varianza total retenida por las direcciones elegidas.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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