Principal Component Analysis (PCA) is a workhorse of modern data science. While PCA assumes the data conforms to Euclidean geometry, for specific data types, such as hierarchical and cyclic data structures, other spaces are more appropriate. We study PCA in space forms; that is, those with constant curvatures. At a point on a Riemannian manifold, we can define a Riemannian affine subspace based on a set of tangent vectors. Finding the optimal low-dimensional affine subspace for given points in a space form amounts to dimensionality reduction. Our Space Form PCA (SFPCA) seeks the affine subspace that best represents a set of manifold-valued points with the minimum projection cost. We propose proper cost functions that enjoy two properties: (1) their optimal affine subspace is the solution to an eigenequation, and (2) optimal affine subspaces of different dimensions form a nested set. These properties provide advances over existing methods, which are mostly iterative algorithms with slow convergence and weaker theoretical guarantees. We evaluate the proposed SFPCA on real and simulated data in spherical and hyperbolic spaces. We show that it outperforms alternative methods in estimating true subspaces (in simulated data) with respect to convergence speed or accuracy, often both.


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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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