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Ⅲ. 데이터 모델링과 평가 · 2차시

회귀 — 통계 모델과 기계학습 모델의 비교

같은 데이터를 두 가지 방법으로 분석한다. 통계적 회귀모델은 공식으로 직선을 한 번에 구한다. 기계학습 회귀모델은 오차가 줄어드는 방향으로 직선을 조금씩 옮긴다. 두 결과와 해석을 나란히 놓고 비교한다.

12데과03-02 권장 5차시 회귀 분석잔차최소제곱법경사하강법학습률

주당 공부 시간을 기록한 학생 10명의 자료가 있다. 시험 점수도 함께 적혀 있다.

공부 시간이 늘면 점수도 오르는 듯 보인다. 그렇다면 주당 7시간 공부한 학생의 점수를 몇 점으로 짐작할지 정해야 한다.

학생 10명의 주당 공부 시간과 시험 점수(수업용으로 만든 예시 데이터)
학생주당 공부 시간(시간)점수(점)
1142
2249
3353
4461
5564
6672
7774
8882
9985
101088

회귀 분석은 직선으로 요약한다

점들이 하나의 직선 주변에 모여 있다. 그래서 규칙을 직선으로 정한다.

예측 점수 = 기울기 × 공부 시간 + 절편

직선을 하나 정하면 학생마다 예측값이 나온다. 실제 점수에서 예측값을 뺀 차이를 라고 한다.

잔차는 양수도 되고 음수도 된다. 그냥 더하면 서로 지워진다. 그래서 잔차를 제곱해서 더한다.

이 값을 잔차 제곱합이라고 한다. 은 잔차 제곱합을 가장 작게 하는 직선을 찾는 일이다.

회귀 분석(regression)
입력 속성으로 목표 속성의 값을 예측하는 분석. 목표 속성이 점수나 판매량처럼 이어지는 수일 때 쓴다.
잔차(residual)
실제 값에서 모델의 예측값을 뺀 차이. 잔차를 제곱해 더한 값을 잔차 제곱합이라고 한다.

길 ① 최소제곱법 — 통계적 회귀모델

최소제곱법(method of least squares)
잔차 제곱합을 가장 작게 하는 기울기와 절편을 공식으로 한 번에 구하는 방법.

은 반복하지 않는다. 아래 두 식에 값을 넣으면 답이 바로 나온다.

  • 기울기 = (입력 편차 × 목표 편차의 합) ÷ (입력 편차의 제곱의 합)
  • 절편 = 목표 평균 − 기울기 × 입력 평균

이 자료에서 공부 시간의 평균은 5.5시간이다. 점수의 평균은 67점이다.

두 편차를 곱해 더한 값은 429다. 공부 시간 편차의 제곱을 더한 값은 82.5다.

기울기는 429 ÷ 82.5 = 5.2다. 절편은 67 − 5.2 × 5.5 = 38.4다.

길 ② 경사하강법 — 기계학습 회귀모델

경사하강법(gradient descent)
오차가 줄어드는 방향으로 기울기와 절편을 조금씩 고쳐 나가는 방법. 한 번에 옮기는 정도를 학습률(learning rate)이라고 한다.

기계학습(machine learning) 방식은 공식을 쓰지 않는다. 대신 아래 절차를 되풀이한다.

  1. 기울기와 절편을 아무 값으로 시작한다. 여기서는 둘 다 0으로 둔다.
  2. 지금 직선의 오차를 구한다.
  3. 오차가 줄어드는 방향으로 조금 옮긴다. 옮기는 정도가 학습률이다.
  4. 정한 횟수만큼 2와 3을 되풀이한다.

학습률과 반복 횟수는 데이터가 정해 주지 않는다. 사람이 정해야 한다.

같은 데이터, 두 방법의 결과와 해석 비교
비교 항목통계적 회귀모델(최소제곱법)기계학습 회귀모델(경사하강법)
구하는 방식공식에 값을 넣어 한 번에 구한다값을 조금씩 고쳐 가며 되풀이한다
사람이 미리 정할 값없다학습률과 반복 횟수를 정해야 한다
이 자료의 결과기울기 5.2, 절편 38.43,000번 반복 후 기울기 5.2, 절편 38.4
평균제곱오차2.322.32
해석의 강점기울기의 의미를 곧바로 설명한다규칙의 형태를 바꿔도 같은 절차로 학습한다
해석의 한계직선이라는 형태를 미리 정해 둔다중간 과정의 값을 말로 설명하기 어렵다
결과가 흔들리는 조건같은 데이터면 항상 같은 값이 나온다시작값·학습률·반복 횟수에 따라 달라진다

확인 문제

4문항 · 고르면 바로 채점된다

회귀식 예측 점수 = 5.2 × 공부 시간 + 38.4에서 기울기 5.2의 뜻으로 알맞은 것은 무엇인가?

기울기는 입력이 1단위 늘 때 예측값이 변하는 양이다. 예측이 어긋난 정도는 오차 지표로 따로 구한다. 이 자료의 평균제곱오차는 2.32다.

최소제곱법과 경사하강법은 서로 다른 목표를 최소화하므로 결과가 반드시 달라진다.

두 방법의 목표는 모두 잔차 제곱합을 가장 작게 만드는 것이다. 이 자료에서는 둘 다 기울기 5.2, 절편 38.4에 도착했다. 다른 것은 도착하는 경로다.

회귀식으로 주당 6시간 공부한 학생의 점수를 예측하면 몇 점인가?

5.2 × 6 + 38.4 = 69.6이다. 64.4점은 5시간, 74.8점은 7시간의 예측값이다. 72.0점은 6번 학생의 실제 점수다.

경사하강법에서 학습률을 지나치게 작게 두었을 때 일어나는 일은 무엇인가?

학습률은 한 번에 옮기는 정도다. 너무 작으면 조금씩만 움직인다. 학습률 0.001로 5,000번 반복했을 때 오차가 6.692에 머문 것이 그 예다.

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YBM Ⅲ. 데이터 모델링과 평가 › 01. 회귀 분석 모델 01-1 회귀 분석 모델의 개념 · 01-2 회귀 분석 모델의 실제
씨마스 Ⅲ. 데이터 모델링과 평가 › 1. 데이터 모델과 회귀분석 1-2 회귀분석 (130쪽)
천재 Ⅲ. 데이터 모델링과 평가 › 02. 회귀 분석 1 회귀 분석의 이해 · 2 통계적 회귀 분석 · 3 기계학습 회귀 분석 · 4 회귀 분석 성능 평가