Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 55. C# - 다항식을 위한 최소 자승법(Least Squares Method) [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 16189
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일
(연관된 글이 1개 있습니다.)
(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# - 다항식을 위한 최소 자승법(Least Squares Method)

지난 글에서,

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

최소 자승법(최소 제곱법)을 이용해 1차 함수로 근사하는 것을 봤는데요, 이를 2차, 3차,...로 확장하는 것은 다음과 같이 매우 쉽습니다.

다항식(Polynomial): aXn 형식의 항들의 합으로 구성된 식
a: 계수(Coefficient)
X: 변수(Variable)
n: 지수(Exponent)

θ0 + θ1x1 + θ2x12 = y1
θ0 + θ1x2 + θ2x22 = y2
...
θ0 + θ1xn + θ2xn2 = yn



θ0 + θ1x1 + θ2x12 + θ3x13 = y1
θ0 + θ1x2 + θ2x22 + θ3x13 = y2
...
θ0 + θ1xn + θ2xn2 + θ3x13 = yn



따라서 행렬을 사용하는 경우 그냥 늘어나는 방정식의 계수만큼 행을 추가해 의사역행렬을 구한 후 연산하면 매개변수를 구할 수 있습니다.

private static double[] GetPolynomial(double[] xData, double[] yData, int numberOfEfficient)
{
    Matrix<double> matA = CreateMatrix.DenseOfColumnMajor(xData.Count(), 1, xData);
    Vector<double> add1 = Vector<double>.Build.DenseOfArray(Enumerable.Repeat(1.0, xData.Count()).ToArray());
    matA = matA.InsertColumn(1, add1);

    for (int i = 1; i < numberOfEfficient; i++)
    {
        double[] newColumnData = xData.Select((elem) => Math.Pow(elem, i + 1)).ToArray();
        Vector<double> addX = Vector<double>.Build.DenseOfArray(newColumnData);
        matA = matA.InsertColumn(0, addX);
    }

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

    Matrix<double> pinvMatA = matA.PseudoInverse();
    Console.WriteLine(pinvMatA);

    Matrix<double> matX = pinvMatA * matB;
    return matX.AsColumnMajorArray();
}

[파란색 - 1차 함수, 빨간색 - 2차 함수, 노란색 3차 함수]
lsm_polynomial_1.png

일반적으로 차수가 올라갈수록 (과적합의 문제가 발생할 수 있지만) 오류는 더 적어집니다. 확인을 위해 간단하게 다음과 같이 작성해 보면,

private static void ReportError(double[] xData, double[] yData, Func<double, double> func)
{
    double error = 0.0;

    for (int i = 0; i < xData.Length; i ++)
    {
        double diff = yData[i] - func(xData[i]);
        error += (diff * diff);
    }

    Console.WriteLine("Error: " + error);
}
/*
1차: Error: 19086.9489618992
2차: Error: 6555.72459287144
3차: Error: 5038.32058563331
*/

1차에 비해 2차에서 두드러지게 오류가 낮아지는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 이런 경우 효율을 고려한다면 2차 함수를 사용하는 것이 좋은 선택일 수 있습니다.

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)




지난 글에서 행렬 라이브러리를 직접 사용하지 않고 1차 근사식에 대한 매개 변수를 구하는 방법을 알아봤는데요,

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

말 그대로 연립 방정식이므로 가우스 소거법을 이용해 매개 변수를 구하는 것도 가능합니다. 코드가 눈에 잘 안 들어오지만 어차피 복붙으로 써야 하는 것이라 큰 문제는 안 될 것입니다. ^^

Linear Equation Solver - Gaussian Elimination (C#)
; https://www.codeproject.com/Tips/388179/Linear-Equation-Solver-Gaussian-Elimination-Csharp

Gaussian elimination
; https://rosettacode.org/wiki/Gaussian_elimination#C.23

Solve a system of equations with Gaussian elimination in C#
; http://csharphelper.com/blog/2014/10/solve-a-system-of-equations-with-gaussian-elimination-in-c/

[C#/WINFORM] 다항식 최소 제곱법(Polynomial Least Squares Method) 사용하기
; https://icodebroker.tistory.com/5580




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

[연관 글]






[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 9/2/2021]

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
 




1  [2]  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
13586정성태3/27/20241606Windows: 263. Windows - 복구 파티션(Recovery Partition) 용량을 늘리는 방법
13585정성태3/26/20241503Windows: 262. PerformanceCounter의 InstanceName에 pid를 추가한 "Process V2"
13584정성태3/26/20241464개발 환경 구성: 708. Unity3D - C# Windows Forms / WPF Application에 통합하는 방법파일 다운로드1
13583정성태3/25/20241499Windows: 261. CPU Utilization이 100% 넘는 경우를 성능 카운터로 확인하는 방법
13582정성태3/19/20241610Windows: 260. CPU 사용률을 나타내는 2가지 수치 - 사용량(Usage)과 활용률(Utilization)파일 다운로드1
13581정성태3/18/20241770개발 환경 구성: 707. 빌드한 Unity3D 프로그램을 C++ Windows Application에 통합하는 방법
13580정성태3/15/20241304닷넷: 2231. C# - ReceiveTimeout, SendTimeout이 적용되지 않는 Socket await 비동기 호출파일 다운로드1
13579정성태3/13/20241513오류 유형: 899. HTTP Error 500.32 - ANCM Failed to Load dll
13578정성태3/11/20241669닷넷: 2230. C# - 덮어쓰기 가능한 환형 큐 (Circular queue)파일 다운로드1
13577정성태3/9/20241924닷넷: 2229. C# - 닷넷을 위한 난독화 도구 소개 (예: ConfuserEx)
13576정성태3/8/20241598닷넷: 2228. .NET Profiler - IMetaDataEmit2::DefineMethodSpec 사용법
13575정성태3/7/20241705닷넷: 2227. 최신 C# 문법을 .NET Framework 프로젝트에 쓸 수 있을까요?
13574정성태3/6/20241573닷넷: 2226. C# - "Docker Desktop for Windows" Container 환경에서의 IPv6 DualMode 소켓
13573정성태3/5/20241580닷넷: 2225. Windbg - dumasync로 분석하는 async/await 호출
13572정성태3/4/20241669닷넷: 2224. C# - WPF의 Dispatcher Queue로 알아보는 await 호출의 hang 현상파일 다운로드1
13571정성태3/1/20241644닷넷: 2223. C# - await 호출과 WPF의 Dispatcher Queue 동작 확인파일 다운로드1
13570정성태2/29/20241652닷넷: 2222. C# - WPF의 Dispatcher Queue 동작 확인파일 다운로드1
13569정성태2/28/20241555닷넷: 2221. C# - LoadContext, LoadFromContext 그리고 GAC파일 다운로드1
13568정성태2/27/20241799닷넷: 2220. C# - .NET Framework 프로세스의 LoaderOptimization 설정을 확인하는 방법파일 다운로드1
13567정성태2/27/20241807오류 유형: 898. .NET Framework 3.5 이하에서 mscoree.tlb 참조 시 System.BadImageFormatException파일 다운로드1
13566정성태2/27/20241824오류 유형: 897. Windows 7 SDK 설치 시 ".NET Development" 옵션이 비활성으로 선택이 안 되는 경우
13565정성태2/23/20241687닷넷: 2219. .NET CLR2 보안 모델에서의 개별 System.Security.Permissions 제어
13564정성태2/22/20241913Windows: 259. Hyper-V Generation 1 유형의 VM을 Generation 2 유형으로 바꾸는 방법
13563정성태2/21/20241954디버깅 기술: 196. windbg - async/await 비동기인 경우 메모리 덤프 분석의 어려움
13562정성태2/21/20241977오류 유형: 896. ASP.NET - .NET Framework 기본 예제에서 System.Web에 대한 System.IO.FileNotFoundException 예외 발생
13561정성태2/20/20242050닷넷: 2218. C# - (예를 들어, Socket) 비동기 I/O에 대한 await 호출 시 CancellationToken을 이용한 취소파일 다운로드1
1  [2]  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  ...