Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 57. C# - 해석학적 방법을 이용한 최소 자승법 [링크 복사], [링크+제목 복사]
조회: 13503
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

1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  [15]  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
13253정성태2/9/20235151Windows: 222. C# - 다른 윈도우 프로그램이 실행되었음을 인식하는 방법파일 다운로드1
13252정성태2/9/20233972오류 유형: 844. ssh로 명령어 수행 시 멈춤 현상
13251정성태2/8/20234424스크립트: 44. 파이썬의 3가지 스레드 ID
13250정성태2/8/20236232오류 유형: 843. System.InvalidOperationException - Unable to configure HTTPS endpoint
13249정성태2/7/20235068오류 유형: 842. 리눅스 - You must wait longer to change your password
13248정성태2/7/20234142오류 유형: 841. 리눅스 - [사용자 계정] is not in the sudoers file. This incident will be reported.
13247정성태2/7/20235041VS.NET IDE: 180. Visual Studio - 닷넷 소스 코드 디버깅 중 "Decompile source code"가 동작하는 않는 문제
13246정성태2/6/20234159개발 환경 구성: 664. Hyper-V에 설치한 리눅스 VM의 VHD 크기 늘리는 방법 - 두 번째 이야기
13245정성태2/6/20234735.NET Framework: 2093. C# - PEM 파일을 이용한 RSA 개인키/공개키 설정 방법파일 다운로드1
13244정성태2/5/20234079VS.NET IDE: 179. Visual Studio - External Tools에 Shell 내장 명령어 등록
13243정성태2/5/20234949디버깅 기술: 190. windbg - Win32 API 호출 시점에 BP 거는 방법 [1]
13242정성태2/4/20234368디버깅 기술: 189. ASP.NET Web Application (.NET Framework) 프로젝트의 숨겨진 예외 - System.UnauthorizedAccessException
13241정성태2/3/20233887디버깅 기술: 188. ASP.NET Web Application (.NET Framework) 프로젝트의 숨겨진 예외 - System.IO.FileNotFoundException
13240정성태2/1/20234042디버깅 기술: 187. ASP.NET Web Application (.NET Framework) 프로젝트의 숨겨진 예외 - System.Web.HttpException
13239정성태2/1/20233703디버깅 기술: 186. C# - CacheDependency의 숨겨진 예외 - System.Web.HttpException
13238정성태1/31/20235767.NET Framework: 2092. IIS 웹 사이트를 TLS 1.2 또는 TLS 1.3 프로토콜로만 운영하는 방법
13237정성태1/30/20235439.NET Framework: 2091. C# - 웹 사이트가 어떤 버전의 TLS/SSL을 지원하는지 확인하는 방법
13236정성태1/29/20235054개발 환경 구성: 663. openssl을 이용해 인트라넷 IIS 사이트의 SSL 인증서 생성
13235정성태1/29/20234617개발 환경 구성: 662. openssl - 윈도우 환경의 명령행에서 SAN 적용하는 방법
13234정성태1/28/20235685개발 환경 구성: 661. dnSpy를 이용해 소스 코드가 없는 .NET 어셈블리의 코드를 변경하는 방법 [1]
13233정성태1/28/20237015오류 유형: 840. C# - WebClient로 https 호출 시 "The request was aborted: Could not create SSL/TLS secure channel" 예외 발생
13232정성태1/27/20234795스크립트: 43. uwsgi의 --processes와 --threads 옵션
13231정성태1/27/20233685오류 유형: 839. python - TypeError: '...' object is not callable
13230정성태1/26/20234077개발 환경 구성: 660. WSL 2 내부로부터 호스트 측의 네트워크로 UDP 데이터가 1개의 패킷으로만 제한되는 문제
13229정성태1/25/20235066.NET Framework: 2090. C# - UDP Datagram의 최대 크기
13228정성태1/24/20235190.NET Framework: 2089. C# - WMI 논리 디스크가 속한 물리 디스크의 정보를 얻는 방법 [2]파일 다운로드1
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  [15]  ...