Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 57. C# - 해석학적 방법을 이용한 최소 자승법 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 23042
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일
(연관된 글이 2개 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# - 해석학적 방법을 이용한 최소 자승법

다음의 글에 보면,

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

최소 자승법(최소 제곱법)의 풀이로 대수적 방법과 해석학적 방법이 있다고 하는데요. 대수적 방법은 지난번에 설명했으니, 이번엔 해석학적 방법을 알아보겠습니다. (보다 더 자세한 설명은 "기초 수학으로 이해하는 머신러닝 알고리즘" 책을 참고하시고 여기서는 간략하게 넘어가겠습니다.)

그러니까, 결국 중요한 것은 데이터를 근사하는 방정식의,

fθ(x) = θ0 + θ1x

매개변수 값(θ0, θ1)을 정하는 것입니다. 이를 위해 데이터와의 오차를 계산하는 목적함수에 대해,



각각의 매개변수(θ0, θ1)로 편미분한 도함수를 다음과 같이 정리할 수 있습니다.




도함수가 정해졌으니, 이제 목적함수의 최솟값을 구하기 위해 경사하강법을 사용할 수 있고,

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

따라서 도함수의 부호에 따라 매개변수를 근사하는 식은 다음과 같이 정리가 됩니다.




끝났군요. ^^ 이제 위의 동작을 코드로 잘 옮겨주면 연산이 진행될수록 θ0, θ1 값들은 근사한 1차 방정식의 모습을 갖추게 될 것입니다.




말이 좀 어려운데, 사실 코드로 보면 그다지 어렵지 않습니다. ^^

using MathNet.Numerics.Random;
using Microsoft.ML;
using Microsoft.ML.Data;
using PLplot;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using Microsoft.ML.Data;

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

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

        // 표준화
        var xyList = ctx.Data.CreateEnumerable<ClickData>(data, false).NormalizeZscore();

        // 매개변수 초기화
        double theta0 = SystemRandomSource.Default.NextDouble();
        double theta1 = SystemRandomSource.Default.NextDouble();

        // 예측 함수
        Func<double, double> f = (x) => theta0 + theta1 * x;

        // 목적 함수
        Func<double, double, double> errorFunc = (x, y) => Math.Pow((y - f(x)), 2);
        Func<IEnumerable<ClickData>, double> E = (list) => 0.5 * list.ForEach((e) => errorFunc(e.X, e.Y)).Sum();

        // 학습률
        double ETA = 1e-03;

        // 오차의 차분
        double diff = 1.0;

        // 갱신 횟수
        int count = 0;

        // 오차의 차분이 0.01 이하가 될 때까지 매개변수 갱신을 반복
        double error = E(xyList);

        while (diff > 1e-02)
        {
            // 갱신 결과를 임시 변수에 저장
            double tmp_theta0 = theta0 - ETA * xyList.ForEach((e) => f(e.X) - e.Y).Sum();
            double tmp_theta1 = theta1 - ETA * xyList.ForEach((e) => (f(e.X) - e.Y) * e.X).Sum();

            // 매개변수 갱신
            theta0 = tmp_theta0;
            theta1 = tmp_theta1;

            // 이전 회의 오차와의 차분을 계산
            double currentError = E(xyList);
            diff = error - currentError;
            error = currentError;

            // 로그 출력
            count++;
            Console.WriteLine($"{count,4:#} 회째: theta0 = {theta0,8:#.0000}, theta1 = {theta1,8:#.0000}, 차분 = {diff,8:#.0000}");
        }

        // 그래프 출력
        double[] xData = xyList.Select((elem) => elem.X).ToArray();
        double[] yData = xyList.Select((elem) => elem.Y).ToArray();
        DrawPlotChart(xData, yData, f);
    }
}

/* 출력 결과
   1 회째: theta0 =   9.3955, theta1 =   2.6899, 차분 = 76048.3710
   2 회째: theta0 =  17.7905, theta1 =   4.5057, 차분 = 73036.8555
   3 회째: theta0 =  26.0177, theta1 =   6.2851, 차분 = 70144.5960
...[생략]...
 384 회째: theta0 = 428.9669, theta1 =  93.4392, 차분 =    .0145
 385 회째: theta0 = 428.9706, theta1 =  93.4400, 차분 =    .0139
 386 회째: theta0 = 428.9742, theta1 =  93.4407, 차분 =    .0133
 387 회째: theta0 = 428.9777, theta1 =  93.4415, 차분 =    .0128
 388 회째: theta0 = 428.9812, theta1 =  93.4422, 차분 =    .0123
 389 회째: theta0 = 428.9845, theta1 =  93.4430, 차분 =    .0118
 390 회째: theta0 = 428.9878, theta1 =  93.4437, 차분 =    .0113
 391 회째: theta0 = 428.9911, theta1 =  93.4444, 차분 =    .0109
 392 회째: theta0 = 428.9943, theta1 =  93.4451, 차분 =    .0105
 393 회째: theta0 = 428.9974, theta1 =  93.4458, 차분 =    .0101
 394 회째: theta0 = 429.0004, theta1 =  93.4464, 차분 =    .0097
*/

출력된 그래프를 보면 잘 근사한 것을 확인할 수 있습니다.

lsm_gradient_descent_1.png

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)




그러니까 위의 소스 코드는 "기초 수학으로 이해하는 머신러닝 알고리즘" 책의 파이썬 코드를,

math-for-ml / regression1_linear.py 
; https://github.com/wikibook/math-for-ml/blob/master/regression1_linear.py

C# 버전으로 변경했다고 보면 되겠습니다. ^^




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

[연관 글]






[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 5/31/2019]

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
 



2019-06-11 12시04분
다음의 글에 그래프가 수렴하는 애니메이션을 확인할 수 있습니다. ^^

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

--------------------------------

[KIER energy+AI] 07 - Gaussian Process
; https://www.youtube.com/watch?v=9vIPzpzfw-o
정성태

... 121  122  123  124  125  126  127  128  129  130  131  132  133  [134]  135  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
1739정성태8/24/201427754.NET Framework: 457. 교착상태(Dead-lock) 해결 방법 - Lock Leveling [2]파일 다운로드1
1738정성태8/23/201423444.NET Framework: 456. C# - CAS를 이용한 Lock 래퍼 클래스파일 다운로드1
1737정성태8/20/201420928VS.NET IDE: 93. Visual Studio 2013 동기화 문제
1736정성태8/19/201426916VC++: 79. [부연] CAS Lock 알고리즘은 과연 빠른가? [2]파일 다운로드1
1735정성태8/19/201419414.NET Framework: 455. 닷넷 사용자 정의 예외 클래스의 최소 구현 코드 - 두 번째 이야기
1734정성태8/13/201421172오류 유형: 237. Windows Media Player cannot access the file. The file might be in use, you might not have access to the computer where the file is stored, or your proxy settings might not be correct.
1733정성태8/13/201427511.NET Framework: 454. EmptyWorkingSet Win32 API를 사용하는 C# 예제파일 다운로드1
1732정성태8/13/201435824Windows: 99. INetCache 폴더가 다르게 보이는 이유
1731정성태8/11/201428298개발 환경 구성: 235. 점(.)으로 시작하는 파일명을 탐색기에서 만드는 방법
1730정성태8/11/201423481개발 환경 구성: 234. Royal TS의 터미널(Terminal) 연결에서 한글이 깨지는 현상 해결 방법
1729정성태8/11/201419472오류 유형: 236. SqlConnection - The requested Performance Counter is not a custom counter, it has to be initialized as ReadOnly.
1728정성태8/8/201431712.NET Framework: 453. C# - 오피스 파워포인트(Powerpoint) 파일을 WinForm에서 보는 방법파일 다운로드1
1727정성태8/6/201421913오류 유형: 235. SignalR 오류 메시지 - Counter 'Messages Bus Messages Published Total' does not exist in the specified Category. [2]
1726정성태8/6/201420706오류 유형: 234. IIS Express에서 COM+ 사용 시 SecurityException - "Requested registry access is not allowed" 발생
1725정성태8/6/201422654오류 유형: 233. Visual Studio 2013 Update3 적용 후 Microsoft.VisualStudio.Web.PageInspector.Runtime 모듈에 대한 FileNotFoundException 예외 발생
1724정성태8/5/201427452.NET Framework: 452. .NET System.Threading.Thread 개체에서 Native Thread Id를 구하는 방법 - 두 번째 이야기 [1]파일 다운로드1
1723정성태7/29/201459849개발 환경 구성: 233. DirectX 9 예제 프로젝트 빌드하는 방법 [3]파일 다운로드1
1722정성태7/25/201422196오류 유형: 232. IIS 500 Internal Server Error - NTFS 암호화된 폴더에 웹 애플리케이션이 위치한 경우
1721정성태7/24/201425496.NET Framework: 451. 함수형 프로그래밍 개념 - 리스트 해석(List Comprehension)과 순수 함수 [2]
1720정성태7/23/201423460개발 환경 구성: 232. C:\WINDOWS\system32\LogFiles\HTTPERR 폴더에 로그 파일을 남기지 않는 설정
1719정성태7/22/201427350Math: 13. 동전을 여러 더미로 나누는 경우의 수 세기(Partition Number) - 두 번째 이야기파일 다운로드1
1718정성태7/19/201436795Math: 12. HTML에서 수학 관련 기호/수식을 표현하기 위한 방법 - MathJax.js [4]
1716정성태7/17/201436490개발 환경 구성: 231. PC 용 무료 안드로이드 에뮬레이터 - genymotion
1715정성태7/13/201431579기타: 47. 운영체제 종료 후에도 USB 외장 하드의 전원이 꺼지지 않는 경우 [3]
1714정성태7/11/201421572VS.NET IDE: 92. Visual Studio 2013을 지원하는 IL Support 확장 도구
1713정성태7/11/201445345Windows: 98. 윈도우 시스템 디스크 용량 확보를 위한 "Package Cache" 폴더 이동 [1]
... 121  122  123  124  125  126  127  128  129  130  131  132  133  [134]  135  ...