3、手写数字上的流形学习

3、手写数字上的流形学习

from time import time

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib import offsetbox

from sklearn import (manifold, datasets, decomposition, ensemble,

                    discriminant_analysis, random_projection, neighbors)

print(__doc__)

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

digits = datasets.load_digits(n_class=6)

X = digits.data

y = digits.target

n_samples, n_features = X.shape

n_neighbors = 30

# 嵌入向量的缩放和可视化

def plot_embedding(X, title=None):

    x_min, x_max = np.min(X, 0), np.max(X, 0)

    X = (X - x_min) / (x_max - x_min)

    plt.figure()

    ax = plt.subplot(111)

    for i in range(X.shape[0]):

        plt.text(X[i, 0], X[i, 1], str(y[i]),

                color=plt.cm.Set1(y[i] / 10.),

                fontdict={'weight': 'bold', 'size': 9})

    if hasattr(offsetbox, 'AnnotationBbox'):

        # 仅使用matplotlib>1.0打印缩略图

        shown_images = np.array([[1., 1.]])  # just something big

        for i in range(X.shape[0]):

            dist = np.sum((X[i] - shown_images) ** 2, 1)

            if np.min(dist) < 4e-3:

                # 不要显示太接近的点

                continue

            shown_images = np.r_[shown_images, [X[i]]]

            imagebox = offsetbox.AnnotationBbox(

                offsetbox.OffsetImage(digits.images[i], cmap=plt.cm.gray_r),

                X[i])

            ax.add_artist(imagebox)

    plt.xticks([]), plt.yticks([])

    if title is not None:

        plt.title(title)

#绘制数字图像

n_img_per_row = 20

img = np.zeros((10 * n_img_per_row, 10 * n_img_per_row))

for i in range(n_img_per_row):

    ix = 10 * i + 1

    for j in range(n_img_per_row):

        iy = 10 * j + 1

        img[ix:ix + 8, iy:iy + 8] = X[i * n_img_per_row + j].reshape((8, 8))

plt.imshow(img, cmap=plt.cm.binary)

plt.xticks([])

plt.yticks([])

plt.title('64维数字数据集中的选择')

# 利用随机酉矩阵的随机二维投影

print("Computing random projection")

rp = random_projection.SparseRandomProjection(n_components=2, random_state=42)

X_projected = rp.fit_transform(X)

plot_embedding(X_projected, "数字的随机投影")

# 对前2个主成分的投影

print("Computing PCA projection")

t0 = time()

X_pca = decomposition.TruncatedSVD(n_components=2).fit_transform(X)

plot_embedding(X_pca,

              "数字的主成分投影 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

#关于前2个线性判别分量的投影

print("Computing Linear Discriminant Analysis projection")

X2 = X.copy()

X2.flat[::X.shape[1] + 1] += 0.01  # 使X可逆

t0 = time()

X_lda = discriminant_analysis.LinearDiscriminantAnalysis(n_components=2

                                                        ).fit_transform(X2, y)

plot_embedding(X_lda,

              "数字的线性判别投影 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的Isomap投影

print("Computing Isomap projection")

t0 = time()

X_iso = manifold.Isomap(n_neighbors=n_neighbors, n_components=2

                        ).fit_transform(X)

print("Done.")

plot_embedding(X_iso,

              "数字的Isomap投影 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的局部线性嵌入

print("Computing LLE embedding")

clf = manifold.LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, n_components=2,

                                      method='standard')

t0 = time()

X_lle = clf.fit_transform(X)

print("Done. Reconstruction error: %g" % clf.reconstruction_error_)

plot_embedding(X_lle,

              "数字的局部线性嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的改进局部线性嵌入

print("Computing modified LLE embedding")

clf = manifold.LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, n_components=2,

                                      method='modified')

t0 = time()

X_mlle = clf.fit_transform(X)

print("Done. Reconstruction error: %g" % clf.reconstruction_error_)

plot_embedding(X_mlle,

              "修正的数字局部线性嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的HLLE嵌入

print("Computing Hessian LLE embedding")

clf = manifold.LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, n_components=2,

                                      method='hessian')

t0 = time()

X_hlle = clf.fit_transform(X)

print("Done. Reconstruction error: %g" % clf.reconstruction_error_)

plot_embedding(X_hlle,

              "数字的Hessian局部线性嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的LTSA嵌入

print("Computing LTSA embedding")

clf = manifold.LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, n_components=2,

                                      method='ltsa')

t0 = time()

X_ltsa = clf.fit_transform(X)

print("Done. Reconstruction error: %g" % clf.reconstruction_error_)

plot_embedding(X_ltsa,

              "数字的局部切空间对齐 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的MDS嵌入

print("Computing MDS embedding")

clf = manifold.MDS(n_components=2, n_init=1, max_iter=100)

t0 = time()

X_mds = clf.fit_transform(X)

print("Done. Stress: %f" % clf.stress_)

plot_embedding(X_mds,

              "数字的MDS嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的随机树嵌入

print("Computing Totally Random Trees embedding")

hasher = ensemble.RandomTreesEmbedding(n_estimators=200, random_state=0,

                                      max_depth=5)

t0 = time()

X_transformed = hasher.fit_transform(X)

pca = decomposition.TruncatedSVD(n_components=2)

X_reduced = pca.fit_transform(X_transformed)

plot_embedding(X_reduced,

              "数字的随机森林嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的谱嵌入

print("Computing Spectral embedding")

embedder = manifold.SpectralEmbedding(n_components=2, random_state=0,

                                      eigen_solver="arpack")

t0 = time()

X_se = embedder.fit_transform(X)

plot_embedding(X_se,

              "数字的谱嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的t-SNE嵌入

print("Computing t-SNE embedding")

tsne = manifold.TSNE(n_components=2, init='pca', random_state=0)

t0 = time()

X_tsne = tsne.fit_transform(X)

plot_embedding(X_tsne,

              "数字的t-SNE嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

# 数字数据集的NCA投影

print("Computing NCA projection")

nca = neighbors.NeighborhoodComponentsAnalysis(init='random',

                                              n_components=2, random_state=0)

t0 = time()

X_nca = nca.fit_transform(X, y)

plot_embedding(X_nca,

              "数字的NCA嵌入 (time %.2fs)" %

              (time() - t0))

plt.show()


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