Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Math: 53. C# - 행렬식을 이용한 최소 자승법(LSM: Least Square Method) [링크 복사], [링크+제목 복사]
조회: 13938
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
 




... [31]  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
12850정성태10/27/20218600오류 유형: 765. 우분투에서 pip install mysqlclient 실행 시 "OSError: mysql_config not found" 오류
12849정성태10/17/20217744스크립트: 33. JavaScript와 C#의 시간 변환 [1]
12848정성태10/17/20218711스크립트: 32. 파이썬 - sqlite3 기본 예제 코드 [1]
12847정성태10/14/20218565스크립트: 31. 파이썬 gunicorn - WORKER TIMEOUT 오류 발생
12846정성태10/7/20218322스크립트: 30. 파이썬 __debug__ 플래그 변수에 따른 코드 실행 제어
12845정성태10/6/20218158.NET Framework: 1120. C# - BufferBlock<T> 사용 예제 [5]파일 다운로드1
12844정성태10/3/20216173오류 유형: 764. MSI 설치 시 "... is accessible and not read-only." 오류 메시지
12843정성태10/3/20216628스크립트: 29. 파이썬 - fork 시 기존 클라이언트 소켓 및 스레드의 동작파일 다운로드1
12842정성태10/1/202124934오류 유형: 763. 파이썬 오류 - AttributeError: type object '...' has no attribute '...'
12841정성태10/1/20218430스크립트: 28. 모든 파이썬 프로세스에 올라오는 특별한 파일 - sitecustomize.py
12840정성태9/30/20218507.NET Framework: 1119. Entity Framework의 Join 사용 시 다중 칼럼에 대한 OR 조건 쿼리파일 다운로드1
12839정성태9/15/20219555.NET Framework: 1118. C# 11 - 제네릭 타입의 특성 적용파일 다운로드1
12838정성태9/13/20219214.NET Framework: 1117. C# - Task에 전달한 Action, Func 유형에 따라 달라지는 async/await 비동기 처리 [2]파일 다운로드1
12837정성태9/11/20218137VC++: 151. Golang - fmt.Errorf, errors.Is, errors.As 설명
12836정성태9/10/20217730Linux: 45. 리눅스 - 실행 중인 다른 프로그램의 출력을 확인하는 방법
12835정성태9/7/20218990.NET Framework: 1116. C# 10 - (15) CallerArgumentExpression 특성 추가 [2]파일 다운로드1
12834정성태9/7/20217363오류 유형: 762. Visual Studio 2019 Build Tools - 'C:\Program' is not recognized as an internal or external command, operable program or batch file.
12833정성태9/6/20216809VC++: 150. Golang - TCP client/server echo 예제 코드파일 다운로드1
12832정성태9/6/20217656VC++: 149. Golang - 인터페이스 포인터가 의미 있을까요?
12831정성태9/6/20216191VC++: 148. Golang - 채널에 따른 다중 작업 처리파일 다운로드1
12830정성태9/6/20218436오류 유형: 761. Internet Explorer에서 파일 다운로드 시 "Your current security settings do not allow this file to be downloaded." 오류
12829정성태9/5/202110068.NET Framework: 1115. C# 10 - (14) 구조체 타입에 기본 생성자 정의 가능파일 다운로드1
12828정성태9/4/20218206.NET Framework: 1114. C# 10 - (13) 단일 파일 내에 적용되는 namespace 선언파일 다운로드1
12827정성태9/4/20218164스크립트: 27. 파이썬 - 웹 페이지 데이터 수집을 위한 scrapy Crawler 사용법 요약
12826정성태9/3/202110415.NET Framework: 1113. C# 10 - (12) 문자열 보간 성능 개선 [1]파일 다운로드1
12825정성태9/3/20217990개발 환경 구성: 603. GoLand - WSL 환경과 연동
... [31]  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  ...