山东大学《数据科学导论》:基础与高维分析

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"《数据科学基础》(Foundations of Data Science) 是山东大学数据科学导论课程使用的英文教材,该书深入探讨了数据科学领域的核心概念和技术。本书共分为两个主要部分:高维空间理论和最佳-fit子空间与奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)。 在第一章“引言”中,作者概述了数据科学的基础,包括其在当今世界中的重要性和应用背景。章节强调了大数据时代对处理复杂多维度数据的需求。 第二章“高维空间”详细讨论了在高维空间中的几何性质。这里涉及的主题有: 1. **大数定律**:解释了在大量数据中的统计规律。 2. **高维几何**:阐述了维度增加对空间结构的影响,如球体在高维中的奇特性质。 3. **单位球的特性**:探讨了体积、等距点集等问题,包括单位球的体积计算以及接近极点区域的体积变化。 4. **随机采样**:介绍如何在高维空间中均匀随机生成点。 5. **高斯分布**:高维环境下的正态分布,其在数据分析中的作用。 6. **随机投影和Johnson-Lindenstrauss引理**:用于降维的有效工具,展示了如何通过随机映射保持数据间的距离关系。 7. **高斯分布的分离**:关于如何在高维空间中区分不同分布的数据。 8. **拟合球形高斯模型**:学习如何将数据拟合到高斯分布模型。 9. **参考文献**:提供了进一步阅读的资料来源。 10. **习题**:通过实践巩固理论知识。 第三章转向了关键的数学工具——SVD。SVD是数据处理和分析的核心算法,包括: 1. **简介**:介绍了SVD的概念和在数据科学中的应用。 2. **预备知识**:回顾必要的线性代数基础。 3. **奇异向量**:阐述这些向量在矩阵分解中的关键角色。 4. **奇异值分解**:解释了如何将矩阵分解为三个因子,揭示其结构和意义。 5. **最佳秩-k近似**:讨论如何利用SVD找到最简洁的表示。 6. **左奇异向量**:与右奇异向量一起构成矩阵分解。 7. **SVD的功率方法**:演示求解SVD的一种迭代方法及其优化版本。 8. **奇异向量与特征向量的关系**:对比这两个概念在不同情境下的应用。 9. **SVD的应用**:涵盖了诸如图像压缩、信号处理、数据降维等实际问题。 《数据科学基础》以深入浅出的方式讲解了这些概念,为理解并应用数据科学奠定了坚实的理论基础。通过学习这些内容,学生可以掌握处理和分析高维数据的基本技巧,并能在实际项目中有效地解决问题。"