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降維評估 · t-SNE / UMAP / PCA

降維畫出來的圖,可信嗎?

t-SNE、UMAP 把高維資料壓成 2D 很漂亮,但「漂亮」不等於「正確」。降維品質沒有單一標準答案,得看局部結構(鄰居有沒有被保留)與全局結構(整體距離關係)。拖動下面的「扭曲程度」看指標怎麼變。

互動實驗:好嵌入 vs 壞嵌入

左邊是「原始空間」的真實鄰居關係,右邊是「降維後的嵌入」。把滑鼠移到任一點,會畫出它的 k 個最近鄰——比較左右兩邊鄰居是否一致,就是降維品質的核心。

原始空間(高維示意)

降維後嵌入

提示:滑過點看鄰居連線;扭曲越大,右邊鄰居越亂,四個指標就越低。
Trustworthiness
局部可信度:嵌入中靠近的點,原本是否也靠近?懲罰「假鄰居」。
Continuity
連續性:原本靠近的點,嵌入後是否還靠近?懲罰「被拆散的鄰居」。
kNN 保留率
原始與嵌入的 k 近鄰集合平均重疊比例,最直觀的局部指標。
距離相關性 (Spearman)
全局結構:所有點對距離的等級相關,看整體幾何是否保留。

四個指標怎麼讀

指標看的是白話
Trustworthiness局部「嵌入裡的鄰居是真的嗎?」靠太近卻其實很遠 = 假鄰居,扣分。
Continuity局部「真正的鄰居有被保留嗎?」原本很近卻被拆開 = 漏鄰居,扣分。
kNN 保留率局部兩邊 k 近鄰名單的重疊率,越高越好(0~1)。
距離相關性全局整體點對距離的 Spearman 等級相關,看大尺度幾何。

⚠️ iPAS 易混點:KL 散度是 t-SNE 的「訓練損失」,不適合拿來跨模型比較降維好壞;要比品質請用上面這類結構保留指標。t-SNE 偏重保留局部結構、全局距離常失真;UMAP 在全局結構通常較好。

iPAS 考點提醒

情境題:要評估一張 t-SNE 圖「把原本相近的樣本是否仍畫得相近」,最適合的指標是?
答:偏向 Continuity / kNN 保留率(局部結構保留)。若要看「圖上靠近的是否真的相近」則用 Trustworthiness
常見陷阱

不要用 KL 散度或「圖好不好看」當品質指標。降維沒有唯一正解,務必區分局部(Trustworthiness/Continuity/kNN)與全局(距離相關性)。

→ t-SNE 原理動畫 → UMAP 原理動畫 → 降維總覽 → PCA

📝 iPAS 考點提醒

降維品質評估是 iPAS 資料處理與非監督式學習考點(中級科目二、三)。重點:降維(t-SNE、UMAP、PCA)沒有單一標準答案,要分局部結構(Trustworthiness、Continuity、kNN 保留率)與全局結構(距離相關性)。易混點:KL 散度是 t-SNE 的訓練損失、不能拿來跨模型比較降維好壞;t-SNE 偏重保留局部、全局常失真,UMAP 全局通常較好。情境:判斷一張降維圖「可不可信」。

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❓ 常見問題

降維好壞怎麼評估?

沒有單一標準答案;要看局部結構是否保留(Trustworthiness、Continuity、kNN 保留率)與全局結構是否保留(所有點對距離的相關性)。

Trustworthiness 和 Continuity 差在哪?

Trustworthiness 懲罰「假鄰居」(嵌入裡靠近、原本卻很遠);Continuity 懲罰「漏鄰居」(原本很近、嵌入卻被拆散)。一個看新鄰居可不可信、一個看真鄰居有沒有保住。

可以用 KL 散度評估降維品質嗎?

不行。KL 散度是 t-SNE 的訓練損失,只在同一模型內有意義,不能跨方法或跨模型比較降維好壞;要用結構保留指標。

t-SNE 和 UMAP 的品質差異?

t-SNE 偏重保留局部鄰居結構,全局距離常失真、群間距離不可信;UMAP 通常在全局結構上表現較好,也較快。

kNN 保留率是什麼?

原始空間與嵌入空間中,每個點的 k 個最近鄰名單平均重疊比例(0~1,越高越好),是最直觀的局部結構指標。

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