本文主要是介绍多尺度变换（Multidimensional Scaling ，MDS）详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
一、基本思想
MDS（Multidimensional Scaling ，MDS多维尺度变换）是一种经典的降维算法，其基本思想是通过保持数据点之间的距离关系，将高维数据映射到低维空间中。
具体来说，MDS算法的基本步骤如下：
1、构建距离矩阵：首先，我们需要计算原始空间中数据点之间的距离。常用的距离度量方法包括欧几里得距离、Minkowski距离等。通过计算每对数据点之间的距离，我们可以构建一个距离矩阵。
2、中心化距离矩阵：为了进一步处理距离矩阵，我们需要对其进行中心化处理，使得数据点相对于原点对称。
3、计算内积矩阵：通过中心化距离矩阵，我们可以计算内积矩阵B。内积矩阵表示数据点之间的内积关系，可以用于进一步分析数据的结构。
4、计算特征值和特征向量：在得到内积矩阵B后，我们需要计算其特征值和特征向量。特征值表示数据的主要变化方向，特征向量表示对应方向上的大小。我们将选取最大的k个特征值及其对应的特征向量，作为降维后的k维空间的基。
5、计算降维后的坐标：将原始数据投影到选定的k维基上，我们可以得到降维后的坐标。
通过上述介绍，可以知道，MDS可以将原始数据维度下降到任意维度。
二、MDS算法示例
让我们用一个关于水果口味的例子来说明MDS算法的原理。
假设有5种水果：苹果（A）、香蕉（B）、橙子（C）、葡萄（D）和菠萝（E）。我们对这些水果进行了甜度（Sweetness）、酸度（Sourness）和多汁程度（Juiciness）的评分。评分数据如下：
A:(6,4,5)
B:(8,1,3)
C:(5,7,6)
D:(7,3,4)
E:(4,6,8)
我们希望通过MDS算法将这些三维评分数据降维到二维空间，以便更直观地分析水果之间的口味关系。
步骤1：计算距离
我们可以使用欧氏距离（也可以用其他距离计算方法）来计算水果之间的距离。计算结果如下：
A-B: 4.69
A-C: 3.74
A-D: 2.45
A-E: 3.32
B-C: 6.56
B-D: 3.32
B-E: 6.56
C-D: 5.29
C-E: 2.45
D-E: 5.29步骤2：构建距离矩阵
将计算出的距离整合成一个距离矩阵D：
A B C D E
A 0.00 4.69 3.74 2.45 3.32B 4.69 0.00 6.56 3.32 6.56C 3.74 6.56 0.00 5.29 2.45D 2.45 3.32 5.29 0.00 5.29E 3.32 6.56 2.45 5.29 0.00步骤3：中心化距离矩阵
我们需要计算中心化矩阵H。数据点的数量n为5。因此，我们可以得到：
I=[1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 00 0 0 0 1]
L=[11111]H=I-(1/5)*L*L^T
=[0.8 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2-0.2 0.8 -0.2 -0.2 -0.2-0.2 -0.2 0.8 -0.2 -0.2-0.2 -0.2 -0.2 0.8 -0.2-0.2 -0.2 -0.2 -0.2 0.8]步骤4：计算内积矩阵
接下来，我们需要计算内积矩阵B。首先，我们需要计算距离矩阵D的平方：
D.^2=[0.00 21.98 13.99 6.00 11.0221.98 0.00 43.03 11.02 43.0313.99 43.03 0.00 28.00 6.006.00 11.02 28.00 0.00 28.0011.02 43.03 6.00 28.00 0.00]然后，我们用中心化矩阵H和距离矩阵D的平方计算内积矩阵B：
B=-0.5*H*D.^2*H=[2.12 -2.27 -1.07 1.12 0.11-2.27 15.33 -8.99 5.21 -9.29-1.07 -8.99 9.72 -6.07 6.421.12 5.21 -6.07 6.12 -6.370.11 -9.29 6.42 -6.37 9.13]步骤5：计算特征值和特征向量
我们需要计算内积矩阵B的特征值和特征向量。我们得到了如下特征值和特征向量：
特征值：lamda1=32.32 lamda2=6.39
特征值lamda1对应的特征向量V1=[-0.02 0.63 -0.48 0.36 -0.49]
特征值lamda2对应的特征向量V2=[-0.53 0.59 0.33 -0.50 0.10]我们选取最大的两个特征值λ1和λ2，以及对应的特征向量v1和v2，作为降维后的二维空间的基。
步骤6：计算降维后坐标
我们将原始数据投影到选定的二维基上，计算新坐标。首先，构建特征向量矩阵V和特征值矩阵Λ的平方根：
V=[-0.02 -0.530.63 0.59-0.48 0.330.36 -0.50-0.49 0.10]
对角矩阵A^0.5=[sqrt(32.32) 00 sqrt(6.39)]然后，我们计算降维后的坐标：新坐标 = A * A^(1/2)
新坐标=[-0.11 -1.333.60 1.50-2.76 0.842.02 -1.26-2.76 0.25]最后，我们得到了降维后的二维坐标：
苹果（A）：(-0.11, -1.33 )
香蕉（B）：(3.60, 1.50)
橙子（C）：(-2.76, 0.84 )
葡萄（D）：(2.02, -1.26 )
菠萝（E）：(0.36, 2.89)三、基于MATLAB的MDS示例代码
MATLAB中自带降维函数cmdscale，实现代码如下：
clc;
clear;
data=[0.0,4.69,3.74,2.45,3.32;4.69,0.0,6.56,3.32,6.56;3.74,6.56,0.0,5.29,2.45;2.45,3.32,5.29,0.0,5.29;3.32,6.56,2.45,5.29,0.0];
Y=cmdscale(data);如果将数据降维为2维，则取前2列，结果如下：
如果按照上述原理，编写程序，代码如下：
D=[0.0,4.69,3.74,2.45,3.32;4.69,0.0,6.56,3.32,6.56;3.74,6.56,0.0,5.29,2.45;2.45,3.32,5.29,0.0,5.29;3.32,6.56,2.45,5.29,0.0];I=[1,0,0,0,0;0,1,0,0,0;0,0,1,0,0;0,0,0,1,0;0,0,0,0,1];
L=[1;1;1;1;1];
L*L';
H=I-(0.2)*L*L';
D2=D.^2;
B=-0.5*H*D.^2*H;
[v,d]=eig(B);
lamda1=d(1,1);
lamda2=d(2,2);
duijiaojuzhen=[sqrt(lamda1),0;0,sqrt(lamda2)];
V=[v(:,1),v(:,2)];
zuobiao=V*duijiaojuzhen
四、总结
下面是一个关于MDS算法优缺点的表格：
| MDS的优点 | MDS的缺点 |
|---|---|
| 计算相对比较容易而且不需要提供先验知识。 | 当数据量较大时，运算时间可能较长。 |
| 在降维过程中尽量保持数据点之间的距离关系，有助于挖掘数据中的结构信息，适用于各种类型的数据，如距离、相似性、关联性等。 | 各个维度的地位相同，无法区分不同维度的重要性。 |
参考博客：【数据降维-第4篇】多维尺度变换（MDS）快速理解，及MATLAB实现 - 知乎
这篇关于多尺度变换（Multidimensional Scaling ，MDS）详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
