PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales
Vous ajusterez PCA à un jeu de données de grande dimension, examinerez les ratios de variance expliquée et choisirez le nombre de composantes qui conserve 95 % de la variance totale.
PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales est une leçon Machine Learning Academy gratuite sur CoddyKit. Ceci est la leçon 1 sur 4. Tu peux lire la leçon complète ci-dessous gratuitement — puis la pratiquer en direct dans le navigateur avec un éditeur de code intégré et un tuteur IA 24/7. Elle fait partie du parcours d'apprentissage Machine Learning Academy, et ta progression se synchronise sur le web et l'application CoddyKit. Le cours Machine Learning Academy comprend 4 leçons au total.
Certaines parties de cette leçon n'ont pas encore été traduites et s'affichent en anglais.
The Problem with High-Dimensional Data
As feature count grows, datasets become increasingly sparse — the curse of dimensionality. Many features are redundant or correlated, carrying overlapping information. Principal Component Analysis (PCA) solves this by finding a new, smaller set of axes (principal components) that capture the maximum variance in the data with the fewest dimensions.
Variance: What PCA Maximises
PCA seeks directions in feature space along which the data varies the most. A direction with high variance captures rich information; a direction with near-zero variance is essentially noise. The first principal component (PC1) is the direction of maximum variance, PC2 is orthogonal to PC1 with the next highest variance, and so on.
Covariance Matrix and Eigenvectors
PCA operates on the covariance matrix of the centred data. The eigenvectors of this matrix point in the directions of maximum variance, and the corresponding eigenvalues measure how much variance each direction captures. The eigenvectors are the principal components; sorting them by eigenvalue in descending order gives PC1, PC2, ... PCn.
import numpy as np
X = np.array([[2.5, 2.4], [0.5, 0.7], [2.2, 2.9],
[1.9, 2.2], [3.1, 3.0], [2.3, 2.7]])
# Centre the data
X_centered = X - X.mean(axis=0)
# Compute covariance matrix
cov = np.cov(X_centered.T)
print('Covariance matrix:\n', cov)
# Eigenvectors and eigenvalues
eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eigh(cov)
idx = np.argsort(eigenvalues)[::-1]
print('Eigenvalues:', eigenvalues[idx])
print('PC1 direction:', eigenvectors[:, idx[0]])Explained Variance Ratio
The explained variance ratio of each component is its eigenvalue divided by the sum of all eigenvalues. If PC1 explains 90% of variance and PC2 explains 8%, the first two components together retain 98% of all information. This ratio guides how many components to keep — a common threshold is 95%.
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_digits
X, _ = load_digits(return_X_y=True) # 64 features
pca = PCA()
pca.fit(X)
cumulative_variance = pca.explained_variance_ratio_.cumsum()
n_95 = (cumulative_variance < 0.95).sum() + 1
print(f'Components to retain 95% variance: {n_95}')
print(f'Explained by first 10 components: {cumulative_variance[9]:.3f}')Choosing n_components
Set n_components as an integer (e.g., PCA(n_components=10)) to keep exactly 10 components, or as a float between 0 and 1 (e.g., PCA(n_components=0.95)) to automatically keep enough components to explain that fraction of variance. The latter is the cleanest approach for pipelines where you want variance-based truncation without knowing the count upfront.
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_digits
X, _ = load_digits(return_X_y=True)
# Retain 95% of variance automatically
pca = PCA(n_components=0.95)
pca.fit(X)
print('Number of components chosen:', pca.n_components_)
print('Total variance retained:', pca.explained_variance_ratio_.sum().round(4))The Scree Plot
A scree plot shows explained variance ratio (or eigenvalue) on the y-axis and component index on the x-axis. The plot typically shows a steep drop then a flat plateau. The elbow — where the drop becomes gradual — is another heuristic for the number of components to retain, similar to the elbow method in K-Means.
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_wine
X, _ = load_wine(return_X_y=True)
pca = PCA()
pca.fit(X)
plt.figure(figsize=(8, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.bar(range(1, 14), pca.explained_variance_ratio_)
plt.xlabel('Component')
plt.ylabel('Explained variance ratio')
plt.title('Scree Plot')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(pca.explained_variance_ratio_.cumsum(), marker='o')
plt.axhline(0.95, color='red', linestyle='--')
plt.xlabel('Number of components')
plt.ylabel('Cumulative variance')
plt.tight_layout()
plt.show()Centering and Scaling Before PCA
PCA is sensitive to feature scale. A feature measured in thousands will dominate the covariance matrix. Always standardise with StandardScaler before PCA to give each feature unit variance. Centring (zero mean) is essential — PCA implicitly does this, but if you use a Pipeline, the scaler should come first so PCA operates on already-centred, equal-scale features.
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.datasets import load_wine
X, _ = load_wine(return_X_y=True)
pipe = Pipeline([
('scaler', StandardScaler()),
('pca', PCA(n_components=0.95))
])
pipe.fit(X)
print('Original shape:', X.shape)
print('Reduced shape:', pipe.transform(X).shape)What Do Principal Components Represent?
Each principal component is a linear combination of the original features — a weighted sum. Inspecting the component loadings (the coefficients) reveals which original features contribute most to each PC. However, components are often not directly interpretable because they mix features together. PCA is primarily a compression tool, not a feature selection tool.
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.datasets import load_wine
import pandas as pd
X, _ = load_wine(return_X_y=True)
X_scaled = StandardScaler().fit_transform(X)
pca = PCA(n_components=2)
pca.fit(X_scaled)
feature_names = load_wine().feature_names
loadings = pd.DataFrame(pca.components_.T, index=feature_names,
columns=['PC1', 'PC2'])
print(loadings.round(2))SVD: The Efficient Implementation
In practice, scikit-learn computes PCA via Singular Value Decomposition (SVD) rather than explicit eigendecomposition of the covariance matrix, because SVD is numerically more stable and works directly on the data matrix without forming the covariance matrix. The result is mathematically identical. For very large datasets, PCA(svd_solver='randomized') uses an approximate randomised SVD for speed.
PCA Is Linear and Orthogonal
Important limitations: PCA finds only linear relationships between features. If the meaningful structure in your data lies on a curved manifold (e.g., a Swiss roll), PCA will not discover it effectively — kernel PCA or t-SNE are better alternatives. Also, PCA components are orthogonal by construction, which can be a mismatch if your underlying factors are correlated.
PCA on a Real Dataset: Quick End-to-End
Here is the full workflow: scale, PCA to 2D, and scatter-plot with class colour to check if the reduced space still separates classes visually. This is a standard exploratory step before training a classifier on the full feature set.
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.datasets import load_iris
import matplotlib.pyplot as plt
X, y = load_iris(return_X_y=True)
X_scaled = StandardScaler().fit_transform(X)
pca = PCA(n_components=2)
X_2d = pca.fit_transform(X_scaled)
plt.scatter(X_2d[:, 0], X_2d[:, 1], c=y, cmap='Set1', s=30)
plt.xlabel(f'PC1 ({pca.explained_variance_ratio_[0]:.1%} var)')
plt.ylabel(f'PC2 ({pca.explained_variance_ratio_[1]:.1%} var)')
plt.title('Iris in PCA space')
plt.colorbar(label='Class')
plt.show()Quick Check
Test your understanding of PCA from this lesson.
Lesson Recap
In this lesson you learned: PCA finds directions of maximum variance via the covariance matrix eigenvectors, explained variance ratio guides how many components to keep (typically aim for 95%), and always standardise features before PCA so scale differences do not bias the components. Next up we project data into principal-component space and reconstruct it to quantify information loss.
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Questions Fréquemment Posées
La leçon « PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales » est-elle gratuite ?
Oui — le texte complet de « PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales » est gratuit à lire ici sur le web. Pour la pratiquer de manière interactive (un éditeur de code intégré et un tuteur IA 24/7) et déverrouiller le reste du cours Machine Learning Academy, passe à CoddyKit PRO. Le cours Machine Learning Academy comprend 4 leçons au total.
Qu'est-ce que j'apprendrai dans « PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales » ?
Vous ajusterez PCA à un jeu de données de grande dimension, examinerez les ratios de variance expliquée et choisirez le nombre de composantes qui conserve 95 % de la variance totale. Tu pratiques Machine Learning Academy avec du code pratique que tu exécutes directement dans le navigateur, et un tuteur IA 24/7 répond à tes questions au fur et à mesure que tu avances dans la leçon.
Dois-je avoir de l'expérience pour commencer Machine Learning Academy ?
Aucune expérience préalable n'est requise. Machine Learning Academy sur CoddyKit est structuré pour les débutants jusqu'aux apprenants avancés, donc tu peux commencer ici ou depuis le début et avancer à ton rythme. Ceci est la leçon 1 sur 4.
Combien de temps prend la leçon « PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales » ?
La plupart des leçons CoddyKit prennent environ 5–10 minutes. Chacune est courte et interactive, tu progresses régulièrement et tu repiques exactement où tu t'es arrêté sur le web et l'app.
Peux-tu écrire et exécuter du code dans cette leçon Machine Learning Academy ?
Oui. Chaque leçon Machine Learning Academy inclut un éditeur de code intégré, tu écris et exécutes du vrai code directement dans ton navigateur et tu reçois des retours IA instantanés — aucune configuration locale requise.
Toutes les leçons de ce cours
- PCA : variance, vecteurs propres et composantes principales
- Projeter les données et reconstruire les caractéristiques à partir des composantes
- t-SNE : préservation du voisinage pour la visualisation
- PCA comme prétraitement : accélération et réduction du bruit dans les chaînes de traitement