Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 53. C# - 행렬식을 이용한 최소 자승법(LSM: Least Square Method) [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 21124
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일

(시리즈 글이 7개 있습니다.)
Math: 15. 그래프 그리기로 알아보는 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson's method)법과 제곱근 구하기 - C#
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10911

Math: 53. C# - 행렬식을 이용한 최소 자승법(LSM: Least Square Method)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11918

Math: 54. C# - 최소 자승법의 1차 함수에 대한 매개변수를 단순 for 문으로 구하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11919

Math: 55. C# - 다항식을 위한 최소 자승법(Least Squares Method)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11921

Math: 56. C# - 그래프 그리기로 알아보는 경사 하강법의 최소/최댓값 구하기
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11923

Math: 57. C# - 해석학적 방법을 이용한 최소 자승법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11924

Math: 58. C# - 최소 자승법의 1차, 2차 수렴 그래프 변화 확인
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11936




C# - 행렬식을 이용한 최소 자승법(LSM: Least Square Method)

개인적으로 자주 방문하게 되는 사이트가 있는데, 마침 "기초 수학으로 이해하는 머신러닝 알고리즘" 책과 연관된 내용이 나오는군요. ^^

최소자승법 이해와 다양한 활용예 (Least Square Method)
; https://darkpgmr.tistory.com/56

책에서 최소 자승법(최소 제곱법)을 해석학적 방법으로 접근해 행렬식으로 정리하는데, 위의 글을 보면 행렬로 정리한 내용을 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 그럼, 실습을 한번 해볼까요? ^^ 지난 글에서 설명한 click.csv로 다뤄볼 텐데요,

x,y
235,591
216,539
148,413
35,310
85,308
204,519
49,325
25,332
173,498
191,498
134,392
99,334
117,385
112,387
162,425
272,659
159,400
159,427
59,319
198,522

ML.NET의 라이브러리를 이용하면 다음과 같이 로드해,

using Microsoft.ML.Data;

class ClickData
{
    [LoadColumn(0)]
    public int X { get; set; }

    [LoadColumn(1)]
    public int Y { get; set; }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MLContext ctx = new MLContext();

        IDataView data = ctx.Data.LoadFromTextFile<ClickData>("click.csv", separatorChar: ',', hasHeader: true);
    }
}

Plot 데이터를 지난번과 마찬가지로 그릴 수 있습니다.

var xyList = ctx.Data.CreateEnumerable<ClickData>(data, true);
double[] xData = xyList.Select(xy => (double)xy.X).ToArray();
double[] yData = xyList.Select(xy => (double)xy.Y).ToArray();

DrawPlotChart(xData, yData);

private static void DrawPlotChart(double[] xData, double[] yData)
{
    string chartFileName = "click.svg";

    int xMin = 0;
    int yMin = 0;

    int xMax = (int)xData.Max() + 10;
    int yMax = (int)yData.Max() + 10;

    using (var pl = new PLStream())
    {
        pl.sdev("svg");
        pl.sfnam(chartFileName);
        pl.spal0("cmap0_alternate.pal");
        pl.init();

        pl.env(xMin, xMax, yMin, yMax, AxesScale.Independent, AxisBox.BoxTicksLabelsAxes);
        pl.lab("X", "Y", "Click");
        char code = Symbol.Bullet; // == 17;
        pl.col0(2); //Blue

        pl.poin(xData, yData, code);

        pl.eop();
        pl.gver(out var verText);
    }
}

lsm_by_matrix_0.png

자, 그럼 이제 위의 데이터 분포를 근사시킬 1차 함수를 구해야 하는데요.

θ0 + θ1x1 = y1
θ0 + θ1x2 = y2
...
θ0 + θ1xn = yn

"최소자승법 이해와 다양한 활용예 (Least Square Method)" 글에서 설명한 데로 이것은 행렬식으로 다룰 수 있고,



방정식의 θ1, θ0 요소는 결국 A 행렬의 의사 역행렬을 구해 계산하는 것으로 쉽게 처리할 수 있습니다.

AX=B
A-1AX=A-1B
X=A-1B

다행히 일반적인 역행렬과는 달리 의사 역행렬은,

의사역행렬
; https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%98%EC%82%AC%EC%97%AD%ED%96%89%EB%A0%AC

항상 존재하며, 유일하기 때문에 안전하게 언제나 사용할 수 있습니다. 즉, 근사식에 따른 1차 함수를 언제나 구할 수 있다는 의미입니다. 자, 그럼 이걸 코드로 표현해야겠지요. ^^

우선, A 행렬은 Click 데이터의 X 데이터와 함께 두 번째 칼럼의 값이 1로 채워져 있는 것입니다. 이것을 MathNet의 행렬로 다음과 같이 만들어 줄 수 있습니다.

Matrix<double> matA = CreateMatrix.DenseOfColumnMajor(xData.Count(), 1, xData);
Vector<double> add1 = Vector<double>.Build.DenseOfArray(Enumerable.Repeat(1.0, xData.Count()).ToArray());
Matrix<double> matAwith1 = matA.InsertColumn(1, add1);
/* matAwith1 행렬
235   1
216   1
148   1
 35   1
 85   1
204   1
 49   1
 25   1
 ..  ..
159   1
159   1
 59   1
198   1
*/

남은 작업은 의사 역행렬을 구하고 B 행렬과 곱해주면 방정식의 (θ1, θ0) 값으로 이뤄진 행렬을 얻게 됩니다.

Matrix<double> matB = CreateMatrix.DenseOfColumnMajor(yData.Count(), 1, yData);

Matrix<double> pinvMatA = matAwith1.PseudoInverse();
Matrix<double> matX = pinvMatA * matB;

double theta1 = mat[1, 1];
double theta0 = mat[1, 0];

/*
matX[0, 0] == θ1
matX[1, 0] == θ0
*/

실제로 연산을 해보면 (1.39551018043075, 231.545758451005) 값이 얻어지는데, 따라서 Click 데이터를 근사하는 방정식은 다음과 같이 이뤄집니다.

Console.WriteLine($"y = {theta0} + {theta1} * x");

/* 출력 결과
y = 231.545758451005 + 1.39551018043075 * x
*/

계산 끝났군요. ^^ 이제 이렇게 구한 1차 방정식을 Plot 차트에 추가하면,

Func<double, double> func =
    (x) => theta0 + theta1 * x;

double y1 = func(0);
double y2 = func(300);

DrawPlotChart(xData, yData, new double[] { 0, 300 }, new double[] { y1, y2 });

private static void DrawPlotChart(double[] xData, double[] yData, double [] ptX, double [] ptY)
{
    ...[생략]...

        pl.poin(xData, yData, code);
        pl.line(ptX, ptY);

    ...[생략]...
}

다음과 같이 근사하게, 잘 근사한 직선을 볼 수 있습니다. ^^

lsm_by_matrix_1.png

(첨부 파일은 이 글의 예제 프로젝트를 포함합니다.)




.NET Core 프로젝트에서 "PLplot" 관련해 다음과 같은 오류가 발생한다면?

Unhandled Exception: System.DllNotFoundException: Unable to load DLL 'plplot' or one of its dependencies: The specified module could not be found. (Exception from HRESULT: 0x8007007E)
   at PLplot.Native.mkstrm(Int32& p_strm)
   at PLplot.PLStream..ctor() in C:\projects\plplotnet\PLplotNet\PLStream.cs:line 23
   at Program.DrawPlotChart(IEnumerable`1 xyList) in F:\ConsoleApp1\ConsoleApp1\Program.cs:line 41
   at Program.Main(String[] args) in F:\ConsoleApp1\ConsoleApp1\Program.cs:line 20

이번엔 지난번 상황과 다소 다릅니다. .NET Core 2.1 프로젝트였는데, 로드된 PLplotNet.dll은 다음의 경로였고,

%USERPROFILE%\.nuget\packages\plplot\5.13.7\lib\netstandard2.0\PLplotNet.dll

plplot의 네이티브 모듈들은 정상적으로 "%USERPROFILE%\.nuget\packages\plplot\5.13.7\runtimes\win-x64\native"에 위치하고 있었습니다. 문제의 원인은, .NET Core 2.1 프로젝트의 "Platform"이 "AnyCPU"였다는 것으로 예전에 설명한 적이 있는,

.NET Core 오류 - 0x80131620 Unable to load DLL 'libuv'
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11389

상황과 동일한 오류입니다. 따라서, "Platform target"을 "AnyCPU"가 아닌 "x64"로 명시적인 설정을 하면 오류가 발생하지 않습니다.




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]







[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 9/19/2021]

Creative Commons License
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 코리아 저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 라이센스에 따라 이용하실 수 있습니다.
by SeongTae Jeong, mailto:techsharer at outlook.com

비밀번호

댓글 작성자
 




... 91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  [104]  105  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
11324정성태10/13/201720819디버깅 기술: 101. windbg - "*** WARNING: Unable to verify checksum for" 경고 없애는 방법
11322정성태10/13/201718243디버깅 기술: 100. windbg - .NET 4.0 응용 프로그램의 Main 메서드에 Breakpoint 걸기
11321정성태10/11/201719769.NET Framework: 688. NGen 모듈과 .NET Profiler
11320정성태10/11/201720541.NET Framework: 687. COR_PRF_USE_PROFILE_IMAGES 옵션과 NGen의 "profiler-enhanced images" [1]
11319정성태10/11/201728148.NET Framework: 686. C# - string 배열을 담은 구조체를 직렬화하는 방법
11318정성태10/7/201720910VS.NET IDE: 122. 비주얼 스튜디오에서 관리자 권한을 요구하는 C# 콘솔 프로그램 제작 [1]
11317정성태10/4/201726069VC++: 120. std::copy 등의 함수 사용 시 _SCL_SECURE_NO_WARNINGS 에러 발생
11316정성태9/30/201724126디버깅 기술: 99. (닷넷) 프로세스(EXE)에 디버거가 연결되어 있는지 아는 방법 [4]
11315정성태9/29/201740205기타: 68. "시작하세요! C# 6.0 프로그래밍: 기본 문법부터 실전 예제까지" 구매하신 분들을 위한 C# 7.0/7.1 추가 문법 PDF [8]
11314정성태9/28/201721964디버깅 기술: 98. windbg - 덤프 파일로부터 닷넷 버전 확인하는 방법
11313정성태9/25/201719280디버깅 기술: 97. windbg - 메모리 덤프로부터 DateTime 형식의 값을 알아내는 방법파일 다운로드1
11312정성태9/25/201722302.NET Framework: 685. C# - 구조체(값 형식)의 필드를 리플렉션을 이용해 값을 바꾸는 방법파일 다운로드1
11311정성태9/20/201716823.NET Framework: 684. System.Diagnostics.Process 객체의 명시적인 해제 권장
11310정성태9/19/201720231.NET Framework: 683. WPF의 Window 객체를 생성했는데 GC 수집 대상이 안 되는 이유 [3]
11309정성태9/13/201718364개발 환경 구성: 335. Octave의 명령 창에서 실행한 결과를 복사하는 방법
11308정성태9/13/201719408VS.NET IDE: 121. 비주얼 스튜디오에서 일부 텍스트 파일을 무조건 메모장으로만 여는 문제파일 다운로드1
11307정성태9/13/201721919오류 유형: 421. System.Runtime.InteropServices.SEHException - 0x80004005
11306정성태9/12/201719967.NET Framework: 682. 아웃룩 사용자를 위한 중국어 스팸 필터 Add-in
11305정성태9/12/201721493개발 환경 구성: 334. 기존 프로젝트를 Visual Studio를 이용해 Github의 신규 생성된 repo에 올리는 방법 [1]
11304정성태9/11/201718629개발 환경 구성: 333. 3ds Max를 Hyper-V VM에서 실행하는 방법
11303정성태9/11/201721917개발 환경 구성: 332. Inno Setup 파일의 관리자 권한을 제거하는 방법
11302정성태9/11/201718139개발 환경 구성: 331. SQL Server Express를 위한 방화벽 설정
11301정성태9/11/201717045오류 유형: 420. SQL Server Express 연결 오류 - A network-related or instance-specific error occurred while establishing a connection to SQL Server.
11300정성태9/10/201720871.NET Framework: 681. dotnet.exe - run, exec, build, restore, publish 차이점 [3]
11299정성태9/9/201719627개발 환경 구성: 330. Hyper-V VM의 Internal Network를 Private 유형으로 만드는 방법
11298정성태9/8/201722894VC++: 119. EnumProcesses / EnumProcessModules API 사용 시 주의점 [1]
... 91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  [104]  105  ...