Principal component analysis (PCA) is a fundamental tool to reduce the dimensionality of the data in many applications. PCA finds a few signal directions that contain most of the variability of the data by computing the eigenvectors of the sample covariance matrix. In this work, we focus on the spiked covariance model, in which the data vectors are defined by a few orthogonal signals plus an isotropic Gaussian noise, and our goal is to estimate one or more of the leading signals. Our main theoretical finding is that the subspace spanned by several leading eigenvectors of the sample covariance matrix contains significant information about the desired signals long before the individual eigenvectors converge to the population principal components. To prove this, we derive a posteriori bounds for the angle between the subspace spanned by the desired population signals and the subspace obtained from the sample using perturbation theory for singular vectors. This leads to a new algorithm, SuperPCA (SUbsPace subsamplER PCA), which capitalizes on an approximate eigenspace of the sample covariance matrix to find the leading signals far more efficiently and accurately than classical PCA in the high-dimensional, multi-signal setting. SuperPCA exploits only a small number of subsampled coordinates of the data, which can lead to tremendous savings in data acquisition cost, especially when the signals are approximately sparse. For the same number of measurements, SuperPCA can offer a factor $10$ improvement in accuracy compared to the classical PCA method.


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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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