Matlab中的数据预处理-归一化(mapminmax)与标准化(mapstd)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、mapminmax

Process matrices by mapping row minimum and maximum values to [-1 1]

意思是将矩阵的每一行处理成[-1,1]区间，此时对于模式识别或者其他统计学来说，数据应该是每一列是一个样本，每一行是多个样本的同一维，即对于一个M*N的矩阵来说，样本的维度是M，样本数目是N，一共N列N个样本。

其主要调用形式有：

1. [Y,PS] = mapminmax(X,YMIN,YMAX)

2. [Y,PS] = mapminmax(X,FP)

3. Y = mapminmax(‘apply’,X,PS)

4. X = mapminmax(‘reverse’,Y,PS)

5. dx_dy = mapminmax(‘dx_dy’,X,Y,PS)

对于1和2的调用形式来说，X是预处理的数据，Ymin和Ymax是期望的每一行的最小值与最大值，FP是一个结构体成员主要是FP.ymin, FP.ymax.这个结构体就可以代替Ymin和Ymax,1和2的处理效果一样，只不过参数的带入形式不同。

代码：

x=[2,3,4,5,6;7,8,9,10,11];
mapminmax(x,0,1)
fp.ymin=0;
fp.ymax=1;
mapminmax(x,fp) 

而对于3式，在模式识别或者统计学里，PS是训练样本的数据的映射，即PS中包含了训练数据的最大值和最小值，这里的X是测试样本，对于测试样本来说，预处理应该和训练样本一致即最大值和最小值应该是训练集的最大值与最小值。假设y是测试样本，一共两个测试样本，则代码如下:

x=[2,3,4,5,6;7,8,9,10,11];
y=[2,3;4,5];
[xx,ps]=mapminmax(x,0,1);
mapminmax('apply',y,ps)

对于4式，是预处理之后的数据进行反转得到原始数据。

x=[2,3,4,5,6;7,8,9,10,11];
y=[2,3;4,5];
[xx,ps]=mapminmax(x,0,1);
yy=mapminmax('apply',y,ps);
mapminmax('reverse',yy,ps)

对于5式，根据给定的矩阵X、标准化矩阵Y及映射PS，获取逆向导数(reverse derivative)。如果给定的X和Y是m行n列的矩阵，那么其结果dx_dy是一个1×n结构体数组，其每个元素又是一个m×n的对角矩阵。这种用法不常用，这里不再举例。

二、mapminmax原理及其实现

mapminmax的数学公式为y = (ymax-ymin)*(x-xmin)/(xmax-xmin) + ymin。如果某行的数据全部相同，此时xmax=xmin，除数为0，则此时数据不变。

matlab实现为：

function [out]=myMapminmax(x,ymin,ymax)

out=(ymax-ymin).*(x-repmat(min(x,[],2),1,size(x,2)))./repmat((max(x,[],2)-min(x,[],2)),1,size(x,2))+ymin;
index=isnan(out);
out(index)=x(index);

end

注意上面的代码均假设数据x中样本是列向量。

三、mapstd 标准化

Process matrices by mapping each row’s means to 0 and deviations to 1:将矩阵的每一行映射为0均值1方差的数据。

主要调用形式有：

1. [Y,PS] = mapstd(X,ymean,ystd)

2. [Y,PS] = mapstd(X,FP)

3. Y = mapstd(‘apply’,X,PS)

4. X = mapstd(‘reverse’,Y,PS)

5. dx_dy = mapstd(‘dx_dy’,X,Y,PS)

和mapminmax类似的，1和2式是对数据X进行标准化，其中ymean和ystd是期望得到数据的每一行的均值和方差，同样的，我们也可以用一个结构体包含 ymean 和ystd进行带入。

x=[2,3,4,5,6;7,8,9,10,11];
y=[2,3;4,5];
[xx,ps]=mapstd(x,0,1)
fp.ymean=0;
fp.ystd=1;
[xx,ps]=mapstd(x,fp)

3式是对测试数据进行预处理，利用训练数据中均值和方差进行处理，4式是将预处理之后的数据反转。

x=[2,3,4,5,6;7,8,9,10,11];
y=[2,3;4,5];
[xx,ps]=mapstd(x,0,1);
yy=mapstd('apply',y,ps);

mapstd('reverse',yy,ps)

四、mapstd标准化的实现

公式为y = (x-xmean)*(ystd/xstd) + ymean。如果设置的ystd=0，或某行的数据全部相同(此时xstd =0)

function [out] = myMapstd(x,ymean,ystd)
out=(x-repmat(mean(x,2),1,size(x,2)))./repmat(std(x,0,2),1,size(x,2)).*ystd+ymean;
end

五、关于mean ,std等函数的说明

mean默认是对每一列求和，mean(x,2)是对每一行求和，std函数默认求的是标准差的无偏估计，有三种用法，s = std(X)，s = std(X,flag)，s = std(X,flag,dim)

其中flag是无偏估计的参数，flag=0是无偏估计，即默认 是无偏估计，flag=1是有偏估计，dim表示对第几维求方差，std(X,0,2)表示对X的每一行做无偏的标准差估计。

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