특이값분해 SVD (기초)
특이값분해의 세 행렬이 회전과 크기 조정, 좌표 변환에서 맡는 역할과 주성분의 의미를 정리한 노트입니다.
jisung-02
한 줄 요약
X=UΣVT. U는 데이터를 가장 잘 설명하는 직교 방향(주성분), Σ는 각 방향의 중요도, VT는 새 좌표 — L07 부분공간 기저 투영에서 필요했던 직교정규기저 U를 SVD가 만들어 준다.
핵심 개념
| 요소 | 크기 | 의미 |
|---|
| U Left singular vectors | n×n | 직교정규. X column space의 기저. u1=최대 분산 방향(1st PC) |
| Σ Singular values | n×p 대각 | σ1≥σ2≥⋯≥0. 각 방향 데이터 퍼짐(중요도) |
| V Right singular vectors | p×p | 직교정규. 회전·스케일된 좌표계에서의 좌표 |
- 기하학: U=회전(rotation), Σ=축별 확대/축소(scaling), VT=새 좌표(coordinates).
- u1은 거리 최소화 = 분산 최대화 방향. 이후 u2,u3,…는 잔차에 대해 순차적으로 구하며 모두 직교 → best k-dim 근사.
- SVD = PCA: left singular vectors = principal components. 공분산 C=n1XXT의 고유벡터 = XXT의 고유벡터 = U.
핵심 수식 / 예시
거리 최소화 → 분산 최대화 유도 (1D 부분공간 a):
di2=xi−aTaaaTxi2=xiTxi−aTaxiTaaTxi
xiTxi는 상수이므로 제거 → 최대화 문제로:
a^=argmaxa aTaaTXXTa(= 1st left singular vector u1)
분해 / rank-1 합:
X=UΣVT=σ1u1v1T+σ2u2v2T+⋯+σrurvrT
투영행렬이 깔끔해짐:
PX=X(XTX)−1XT=UUT(역행렬 소거)
최소제곱 응용: span(cols(U))=span(cols(X)) 이므로 w^=UTy, y^=UUTy.