Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 55. C# - 다항식을 위한 최소 자승법(Least Squares Method) [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 24502
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
 




... 91  92  [93]  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
11611정성태7/15/201820908Graphics: 6. Unity로 실습하는 Shader (4) - 퐁 셰이딩(phong shading)
11610정성태7/15/201817447Graphics: 5. Unity로 실습하는 Shader (3) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model) + Texture
11609정성태7/15/201820494Graphics: 4. Unity로 실습하는 Shader (2) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model)
11608정성태7/15/201825049Graphics: 3. Unity로 실습하는 Shader (1) - 컬러 반전 및 상하/좌우 뒤집기
11607정성태7/14/201825360Graphics: 2. Unity로 실습하는 Shader [1]
11606정성태7/13/201826005사물인터넷: 19. PC에 연결해 동작하는 자신만의 USB 장치 만들어 보기파일 다운로드1
11605정성태7/13/201821911사물인터넷: 18. New NodeMCU v3 아두이노 호환 보드의 내장 LED 및 입력 핀 사용법 [1]파일 다운로드1
11604정성태7/12/201820999Math: 47. GeoGebra 기하 (24) - 정다각형파일 다운로드1
11603정성태7/12/201816999Math: 46. GeoGebra 기하 (23) - sqrt(n) 제곱근파일 다운로드1
11602정성태7/11/201817162Math: 45. GeoGebra 기하 (22) - 반전기하학의 원에 관한 반사변환파일 다운로드1
11601정성태7/11/201819993Math: 44. GeoGebra 기하 (21) - 반전기하학의 직선 및 원에 관한 반사변환파일 다운로드1
11600정성태7/10/201818453Math: 43. GeoGebra 기하 (20) - 세 점을 지나는 원파일 다운로드1
11599정성태7/10/201817722Math: 42. GeoGebra 기하 (19) - 두 원의 안과 밖으로 접하는 직선파일 다운로드1
11598정성태7/10/201819666Windows: 147. 시스템 복구 디스크를 USB 디스크에 만드는 방법
11597정성태7/10/201821752사물인터넷: 17. Thinary Electronic - ATmega328PB 아두이노 호환 보드의 개발 환경 구성
11596정성태7/10/201819577기타: 72. 과거의 용어 설명 - OWIN
11595정성태7/10/201825344사물인터넷: 16. New NodeMCU v3 아두이노 호환 보드의 기본 개발 환경 구성
11594정성태7/8/201819801Math: 41. GeoGebra 기하 (18) - 원의 중심 및 접선파일 다운로드1
11593정성태7/8/201818799Math: 40. GeoGebra 기하 (17) - 각의 복사파일 다운로드1
11591정성태7/7/201818153Math: 39. GeoGebra 기하 (16) - 삼각형의 방심과 방접원파일 다운로드1
11590정성태7/7/201817719Math: 38. GeoGebra 기하 (15) - 삼각형의 수심파일 다운로드1
11589정성태7/7/201817948.NET Framework: 787. object로 형변환된 인스턴스를 원래의 타입 인자로 제네릭 메서드를 호출하는 방법 [2]파일 다운로드1
11588정성태7/7/201819422디버깅 기술: 116. windbg 분석 사례 - ASP.NET 웹 응용 프로그램의 CPU 100% 현상 (3)
11587정성태7/5/201819098.NET Framework: 786. ASP.NET - HttpCookieCollection을 다중 스레드에서 사용할 경우 무한 루프 현상
11586정성태7/5/201818226Math: 37. GeoGebra 기하 (14) - 삼각형의 무게 중심파일 다운로드1
11585정성태7/5/201818432Math: 36. GeoGebra 기하 (13) - 삼각형의 외심과 외접하는 원파일 다운로드1
... 91  92  [93]  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  ...