【G検定】特異値分解 (SVD)

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特異値分解 (SVD)

特異値分解は、複雑な行列を簡単な要素に分解する強力な数学的手法です。この手法は、大量のデータを含む行列から本質的な情報を抽出するのに非常に有効です。

特異値分解は、任意の行列Aを3つの行列の積に分解します。具体的には、A = UΣV*という形で表現されます。ここでUとVは直交行列、Σは対角行列です。この分解により、元の行列の構造をより理解しやすい形に変換することができます。

Σの対角成分は特異値と呼ばれ、非負の値をとります。これらの特異値は、元の行列Aの重要な特性を表しています。大きな特異値ほど、その方向の情報が元の行列において重要であることを示しています。

特異値分解は、様々な分野で活用されています。例えば、画像処理の分野では、画像の圧縮やノイズ除去に利用されます。大きな特異値に対応する成分だけを使って画像を再構成することで、元の画像の本質的な特徴を保ちつつ、データ量を削減することができます。

また、推薦システムにおいても特異値分解は重要な役割を果たします。ユーザーと商品の評価行列に特異値分解を適用することで、潜在的な特徴を抽出し、より精度の高い推薦を行うことができます。

特異値分解は、主成分分析（PCA）とも密接な関係があります。主成分分析は、データの分散が最大となる方向（主成分）を見つけることで、高次元のデータを低次元に圧縮する手法です。実は、データ行列に特異値分解を適用することで、主成分分析と同等の結果を得ることができます。

特異値分解を用いた主成分分析では、最大の特異値に対応する左特異ベクトルが第一主成分となり、次に大きな特異値に対応するものが第二主成分となります。このように、特異値分解は主成分分析の計算基盤としても利用されています。

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