Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 53. C# - 행렬식을 이용한 최소 자승법(LSM: Least Square Method) [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 21220
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
 




... 106  107  [108]  109  110  111  112  113  114  115  116  117  118  119  120  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
11225정성태6/19/201715756오류 유형: 400. Outlook - The required file ExSec32.dll cannot be found in your path. Install Microsoft Outlook again.
11224정성태6/13/201718244.NET Framework: 661. Json.NET의 DeserializeObject 수행 시 속성 이름을 동적으로 바꾸는 방법파일 다운로드1
11223정성태6/12/201716870개발 환경 구성: 318. WCF Service Application과 WCFTestClient.exe
11222정성태6/10/201720612오류 유형: 399. WCF - A property with the name 'UriTemplateMatchResults' already exists.파일 다운로드1
11221정성태6/10/201717572오류 유형: 398. Fakes - Assembly 'Jennifer5.Fakes' with identity '[...].Fakes, [...]' uses '[...]' which has a higher version than referenced assembly '[...]' with identity '[...]'
11220정성태6/10/201722932.NET Framework: 660. Shallow Copy와 Deep Copy [1]파일 다운로드2
11219정성태6/7/201718286.NET Framework: 659. 닷넷 - TypeForwardedFrom / TypeForwardedTo 특성의 사용법
11218정성태6/1/201721090개발 환경 구성: 317. Hyper-V 내의 VM에서 다시 Hyper-V를 설치: Nested Virtualization
11217정성태6/1/201716966오류 유형: 397. initerrlog: Could not open error log file 'C:\...\MSSQL12.MSSQLSERVER\MSSQL\Log\ERRORLOG'
11216정성태6/1/201719084오류 유형: 396. Activation context generation failed
11215정성태6/1/201720046오류 유형: 395. 관리 콘솔을 실행하면 "This app has been blocked for your protection" 오류 발생 [1]
11214정성태6/1/201717712오류 유형: 394. MSDTC 서비스 시작 시 -1073737712(0xC0001010) 오류와 함께 종료되는 문제 [1]
11213정성태5/26/201722544오류 유형: 393. TFS - The underlying connection was closed: Could not establish trust relationship for the SSL/TLS secure channel.
11212정성태5/26/201721851오류 유형: 392. Windows Server 2016에 KB4019472 업데이트가 실패하는 경우
11211정성태5/26/201720880오류 유형: 391. BeginInvoke에 전달한 람다 함수에 CS1660 에러가 발생하는 경우
11210정성태5/25/201721340기타: 65. ActiveX 없는 전자 메일에 사용된 "개인정보 보호를 위해 암호화된 보안메일"의 암호화 방법
11209정성태5/25/201768305Windows: 143. Windows 10의 Recovery 파티션을 삭제 및 새로 생성하는 방법 [16]
11208정성태5/25/201728031오류 유형: 390. diskpart의 set id 명령어에서 "The specified type is not in the correct format." 오류 발생
11207정성태5/24/201728363Windows: 142. Windows 10의 복구 콘솔로 부팅하는 방법
11206정성태5/24/201721625오류 유형: 389. DISM.exe - The specified image in the specified wim is already mounted for read/write access.
11205정성태5/24/201721303.NET Framework: 658. C#의 tail call 구현은? [1]
11204정성태5/22/201730841개발 환경 구성: 316. 간단하게 살펴보는 Docker for Windows [7]
11203정성태5/19/201718768오류 유형: 388. docker - Host does not exist: "default"
11202정성태5/19/201719814오류 유형: 387. WPF - There is no registered CultureInfo with the IetfLanguageTag 'ug'.
11201정성태5/16/201722641오류 유형: 386. WPF - .NET 3.5 이하에서 TextBox에 한글 입력 시 TextChanged 이벤트의 비정상 종료 문제 [1]파일 다운로드1
11200정성태5/16/201719470오류 유형: 385. WPF - 폰트가 없어 System.IO.FileNotFoundException 예외가 발생하는 경우
... 106  107  [108]  109  110  111  112  113  114  115  116  117  118  119  120  ...