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Ⅳ. 데이터 과학 프로젝트 · 3차시

두 가지 이상의 방법으로 검증하기

같은 데이터라도 전처리와 분석 방법을 바꾸면 결과가 달라진다. 전처리 조건 두 가지와 분석 방법 두 가지를 실제로 적용해 결과를 비교한다. 비교 결과를 근거로 프로젝트에 쓸 모델링 방법을 정한다.

12데과04-03 권장 3차시 전처리 조건 비교분석 방법 비교기계학습k-최근접 이웃평균절대오차

분석을 한 가지 방법으로만 하면 결과가 맞는지 알 수 없다. 비교 대상이 없기 때문이다.

방법을 두 가지 이상 적용하면 두 가지를 알게 된다. 결과가 방법에 따라 얼마나 흔들리는지, 그리고 어느 방법이 이 데이터에 맞는지다.

이 차시는 비교를 설계하는 방법을 다룬다.

무엇과 무엇을 비교하는가

비교는 두 축에서 한다.

첫째, 전처리 조건이다. 이상치를 남길지 뺄지, 정규화(normalization)를 할지 말지에 따라 결과가 바뀐다.

둘째, 분석 방법이다. 통계적 방법과 (machine learning) 방법은 데이터를 다루는 방식이 다르다.

비교가 성립하려면 한 번에 하나만 바꾼다. 전처리와 방법을 동시에 바꾸면 무엇이 차이를 만들었는지 알 수 없다.

기계학습(machine learning)
모델이 데이터에서 규칙을 찾아 예측이나 분류를 수행하도록 만드는 방법. 사람이 규칙을 직접 적지 않는다.
평균절대오차(Mean Absolute Error, MAE)
예측값과 실제값의 차를 절댓값으로 바꿔 평균한 값. 값이 작을수록 예측이 정확하고, 단위는 원래 값과 같다.

비교 1 — 전처리 조건을 바꾼다

아래는 학교 주변 기온과 냉방 전력 사용량을 12일간 기록한 예시 값이다. 설명을 위해 직접 만든 값이다.

8번째 기록의 전력값이 1,268kWh다. 가장 높은 날 값의 3.6배다. 계량기 점검이 있던 날의 기록 오류로 판단했다.

이 값을 남긴 경우와 뺀 경우를 각각 계산한다.

산점도의 모양은 직선이 아니다. 세 구간으로 나뉜다.

  • 25°C 이하: 거의 변화가 없다
  • 26~30°C: 급하게 오른다
  • 31°C 이상: 다시 완만해진다

냉방을 켜기 시작하는 구간과 설비가 한계에 이른 구간이 있다는 뜻이다. 이런 모양에서 직선 하나가 잘 맞을지 확인해야 한다.

비교 2 — 분석 방법을 바꾼다

k-최근접 이웃(k-Nearest Neighbors, k-NN)
예측하려는 값과 가장 가까운 k개의 기록을 찾아 그 값들의 평균으로 예측하는 기계학습 방법. 식을 세우지 않고 이웃 기록을 그대로 이용한다.
예시 데이터의 비교 결과 정리. MAE는 작을수록 예측이 정확하다.
비교 축조건내용MAE판단
전처리오류 기록 포함기울기 36.9383.87기록 1개가 직선을 끌어올렸다
전처리오류 기록 제외기울기 26.4522.33이 조건을 채택한다
분석 방법회귀 직선최소제곱법23.40전체 경향을 한 식으로 설명한다
분석 방법k-최근접 이웃(k=2)기계학습6.17곡선 구간을 더 잘 맞춘다

확인 문제

4문항 · 고르면 바로 채점된다

같은 데이터에 두 가지 방법을 적용했더니 결과가 서로 달랐다. 다음 행동으로 가장 적절한 것은?

결과가 다른 것은 오류가 아니라 방법의 차이다. 왜 달라졌는지 방법의 특성으로 설명해야 적절한 모델링 방법을 정할 수 있다. 좋은 결과만 골라 쓰는 것은 근거를 숨기는 일이다.

예시 데이터에서 기록 오류 1개를 그대로 남긴 채 회귀 직선을 구했을 때 나타난 변화는?

기울기는 26.45에서 36.93으로 커지고, 정상 기록에 대한 오차는 22.33에서 83.87로 커졌다. 큰 이상치 하나가 직선 전체를 끌어올렸기 때문이다.

모델을 학습시킨 기록으로 오차를 재면 실제 예측 성능을 확인할 수 있다.

학습에 쓴 기록은 모델이 이미 맞춘 값이므로 오차가 실제보다 작게 나온다. 평가용 기록을 따로 남겨 두어야 성능을 확인할 수 있다.

예시 데이터에서 k-최근접 이웃의 오차가 더 작았으므로, k-최근접 이웃은 회귀보다 항상 우수한 방법이다.

이 데이터의 관계가 곡선이어서 k-최근접 이웃이 유리했을 뿐이다. 학습 범위를 벗어난 값을 예측할 때나 관계를 식으로 설명해야 할 때는 회귀가 유리하다.

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