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Ciencia de Datos e IA Descomposicion en valores singulares: SVD

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Descomposicion en valores singulares: SVD

✦ Objeto sobre U Σ Vᵀ: elipse de la transformacion, factorizacion exacta de una matriz rango 1, compresion de imagenes con Eckart-Young, usos en scikit-learn y autoexamen · Ciencia de Datos e IA · y te lleva 6 minutos

Roadwise Consulting

Firmado y verificado · Fernando Castro

Objetivo: Comprender y aplicar la SVD como factorizacion universal: intuicion geometrica, ejemplo rango 1, aproximacion de bajo rango y conexiones con PCA, pseudo-inversion y recomendadores.

6 min 17–99 años
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Descomposicion en valores singulares: SVD

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Descomposicion en valores singulares: SVD, la navaja de la algebra numerica

La auto-diagonalizacion solo funciona con matrices cuadradas y simetricas; la SVD funciona con CUALQUIER matriz, rectangular, mal condicionada y hasta llena de ceros. Es la herramienta detras de PCA en scikit-learn, de los sistemas de recomendacion por filtrado colaborativo y del compresor de imagenes mas elegante que conoceras. Este objeto la construye desde la intuicion geometrica hasta la aproximacion de rango k con las manos.

Circulo unitario transformado por SVD en elipse con rotaciones U y V y escala Sigma.
Toda transformacion lineal es: girar, estirar por los ejes, y volver a girar. Eso es exactamente SVD.

Intuicion geometrica primero

Aplica A a todos los vectores unitarios del plano: la imagen del circulo es una ELIPSE. La SVD factoriza esa elipse en tres movimientos: Vᵀ rota el circulo para alinear sus ejes con los de la elipse; Σ estira cada eje por su factor sigma; U rota el resultado hacia su posicion final. Los ejes de la elipse son los vectores singulares; su longitud, los valores singulares.

Ejemplo rango 1: la SVD mas pequena del mundo

  1. Paso 1 · Matriz

    Tomemos A = [[2, 4], [1, 2]]. Sus filas son proporcionales: rango 1. Toda la informacion cabe en un vector de filas u = (2,1)/√5 y uno de columnas v = (1,2)/√5.

Paso 1 de 4

La mejor aproximacion de rango bajo: Eckart-Young

Guarda las k primeras componentes: A_k = suma de σᵢ uᵢ vᵢᵀ para i de 1 a k. El teorema de Eckart-Young promete que es la MEJOR aproximacion de rango k posible (en norma de Frobenius y espectral): truncar la SVD no es un atajo, es el optimo. Los valores singulares decaen rapido cuando los datos tienen estructura: esa curva de decaimiento es la que justifica reducir dimensiones.

Compresion de imagen a mano

  1. Paso 1 · Plantear

    Una imagen es una matriz de brillo. SVD sobre A (digamos 100x100, valores singulares desde 30 hasta casi 0).

Paso 1 de 4

SVD en tus futuras bibliotecas

  • PCA en scikit-learn: por dentro usa SVD sobre la matriz centrada; los autovalores de la covarianza son sigma²/(n−1).
  • Pseudo-inversion: A⁺ = V·Σ⁺·Uᵀ invirtiendo solo los sigma mayores que un epsilon: la solucion estable de minimimos cuadrados cuando A no tiene inversa o esta mal condicionada (recuerda metn problema 7).
  • Recomendadores: matriz usuario-item incompleta → factorizacion de rango bajo (SVD truncada o ALS) predice items que el usuario no vio.
  • Numeros: en problemas de rango y nullspace, SVD da base ortonormal de los cuatro subespacios fundamentales con estabilidad numerica total.

Para que uso SVD

  • U Σ Vᵀ
    • Comprimir
      • Truncar por energia retenida
    • Reducir dimension
      • PCA como caso particular
    • Estabilizar
      • Pseudo-inversion con corte epsilon
    • Recomendar
      • Factorizacion usuario-item

Autoexamen cronometrado (15 minutos)

¿Cual es la VENTAJA de SVD frente a diagonalizacion de autovalores?

Los valores singulares de A son las raices de los autovalores de AᵀA.

Para A diagonal [[3, 0], [0, 2]], sus valores singulares son 3 y 2. ¿Cual es sigma1?

En el ejemplo rango 1, AᵀA tuvo autovalores 25 y 0. ¿Cuantos valores singulares NO nulos tiene A?

Truncar la SVD a k componentes es la mejor aproximacion de rango k gracias al teorema de Eckart-.

Empareja factor con su papel geometrico.

      Video de repaso

      Algebra lineal: video complementario
      Repaso visual de transformaciones y factorizaciones matriciales.

      La compresion por rango bajo presume que la matriz "realmente" tiene rango cerca de k. Piensa en una matriz de interacciones usuario-pelicula o en genes x pacientes: ¿por que un rango 50 captaria millones de datos? Escribe la hipotesis estructural que hace plausible la factorizacion.

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